ATLAS検出器と物理入門（その２）
内部飛跡検出器

http://www.icepp.s.u-tokyo.ac.jp/~asai/higgs-work/curriculum_2002.html

KEK 池上2005.04.23

1

ATLAS Inner Detector

DiameterBarrel toroid lengthEnd-cap end-wall chamber span
Overall weight

25 m
26 m
46 m
7000 Tons

Inner detector + solenoid↓
荷電粒子(e,μ,π)運動量の測定Vertex pointの測定
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σ(1/pt)∝σxATLASの近似として、
Pt =500 GeV/c
L =1 m
B =2 T
σx=60μm
N =50→ 20 %2005.04.23

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5

ATLASの近似として、
L =1 m
B =2 T
L/X0=0.5→ 2%

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TRT Barrel & End-cap
Detecting element: straw tube 4 mm diam., 30 μm W/Au wire
Robust operation conditions: safe and fast gas
End-cap

Xe(70%)+CO2(20%)+CF4(10%) :TDR
Xe(70%)+CO2 (20%)+O2 (10%)

C-fiber shell
Radiator
StrawsLayers of straws& radiators
HV &signal
readout

End-capTension plate2005.04.23

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TRT Barrel & End-cap
BarrelDetecting element
Straw Tube 4 mm O.D.
30 μm W/Au wire
End-caps
BARRELEND-CAPs

Geometry

LinearRadialStraw length

144 cm39 cm (End-cap A&B)
52 cm (End-cap C)

Nb electronic
channels~ 100 000

~ 320 0002005.04.23

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TRT

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TRT

L=750 × 2 mm

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Barrel straw

Twister
End plug2005.04.23

Wire
30 μm

Wire joint

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Straw
Both end-cap and barrel
use the same straws

Straws are reinforced at
PNPI and JINR (Russia)(initially 166 cm long)~25 μmIn order to make straw rigid 4 C-fibres
are attached along the straw~5 μm~0.2 μm~6 μm

Reinforcement QC
Straw wall(after winding)
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R < 10 Ω/square

Test

Yield (%)

Straw straightness

99.9

Outer diameter

99.9

Total Losses* ~ 1%

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Barrel TRT Radiator
Stacks of polypropylene fiber sheets
Fiber is 15 mm diameter
Packed to 66 mg/cm3 density

Optimal TR threshold
Foil
Fiber200um

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TRT3n digitize→ 170μm
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TRT

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Barrel TRT
CERN SR1で組み立て中で殆ど完成。

Endcap TRT, A & C・C側のwheelは全てCERNに到着。
・wheel stacking作業が始まった。
・1.6%/年の率でHV-fuseが飛んでいる。

・TRT C-wheelsは2012年時に入れる
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自由電子

Si

エネルギー（熱，光）

正孔

Si

I型半導体
(真性半導体)

正孔
Si
自由電子

図2-4 電子－正孔対の生成
P原子の5番目の価電子

正孔
Si

Si
Si

Si-q

Si

Si

Si

イオン化した
ドナー原子

Si

P

Si

Si

Si

Si

B-

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

イオン化したアクセプタ原子

Si

Si+

Si

Si

Si

Si
Si

Si+q

P原子は5個の価電子のうち4個で周囲のSi原子と共有結合する．第5番目+の価電子はイオン化したP イオンに弱く結合している．

SiSiを置換したB原子は隣接した3個のSiと共有結合し，さらに1個の価電子を周囲から受け取り正孔を放出する．正孔は負に帯電したB イオンと弱く結合している．

図2-6 p形半導体

図2-5 n形半導体

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NA>NDNA xp =ND xｎ :x depth of depletion
ND側に伸びる=V0
d= xp +xn ～ xn =√(2εV0/e ND )2005.04.2336比抵抗ρを導入
1/ρ ～eμ ND(μ :移動度)
d= xp +xn ～ xn =√(2εV0/e ND )= √(2ε ρμ V0)
V0 ～ 0.7V :通常のダイオード
逆バイアスVをかけるとDepletion layerは厚くなる

V0→V0 +V→信号大

d=300 μmをV～100Vで得るには
ρ>1KΩcm
不純物濃度2005.04.23

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Barrel Silicon microstrip detector(SCT ： Semiconductor Tracker )×2,112 modules →Total area = 34m2
radiation tolerance
3×1014 n/cm2 (10 years)

4 cylinders
r = 30~52cm|η|<1.4

First complete
barrel cylinderat Oxford U.
December 2004
↓CERN

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Barrel SCT modules

Specifications:
Strip pitch : 80 μm
Stereo angle : 40 mr →ΔZ :2 mmreadout channels ; 1536 ch~ 5000 wire bondings
Assembly accuracy < 5 μm
Parts:
4 Silicon sensors (Hamamatsu)
12 ABCD chips (BiCMOS ASIC)
TPG thermal conductor (US)
Flexible hybrid circuit (Japan)
Fablication:
Total: 2600 modules
980 in Japan (best yield > 95%)
Others in UK, US and Scandinavia

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Barrel SCT module 展開図

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Forward SCT module

988 × 2 modules

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Barrel SCT sensor

0V

AC couple

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Al> +100V

43SCTの読み出し回路
Gain 不良
DEAD

ChannelDiscriminator
Mask Register

Pre Amp Shaping Amp.
STUCK

Trim DAC

132 depth
pipeline memory

Calibration DAC
Trim loading
不良PC
Strobe delay
Calibration Circuit
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ENC ~ 1500 e (before irrad.)1800 e (after irrad.)44

SCTの特徴 (大面積)2005.04.23

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SCTの特徴 (放射線耐性)

type inversion
n→pNdsignal
V→ 増大→ 減少→ 減少(一定)Vsignald→ 増大(一定)(一定)

収集される電荷量の減少
新たなenergy bandの発生→キャリヤの捕獲
移動度の低下
暗電流の増加
→ 温度上昇→ 熱暴走→ -10℃

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Barrel SCT
2600台のモジュールは全て完成。
B3 : アセンブリー完成しCERNに。
B4 : RALで準備中
B5 : Oxford大で準備中
B6 : Oxford大でマウント中

Endcap SCT
73% のモジュールを製造中。
EC(C)
D8,D9 : Liverpool大で完成。
シリンダーに据付られた。
D7,D6 : Liverpool大で準備中。
EC (A) ： NIKHEF 5ヶ月遅れ.
9disks x 2
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PixelPixel size :400μm × 50μm

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Pixel2005.04.23

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Pixel2005.04.23

50

Pixel2005.04.23

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Stave Pixel
・フレームは完成。
・600モジュール完成（3 layer：2100モジュール必要）・3 layerは出来そうだ。

Disk Pixel
Cooling Pipes

12 Sector完成
48 sectors → 11/3/2006
SectorModules2005.04.23

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CMSとの比較

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CMSとの比較

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CMSとの比較

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Wafer 製造法
CZ法：Siをルツボに入れて融かし，不純物を添加する．ピアノ線で吊したSi
種結晶を接触させ，シードを回転させながら徐々に引き上げていくと，種結晶に従って単結晶が成長する．最近では，Si単結晶中の酸素濃度を抑える
MCZ法（Magnetic CZ法）が，ウェーハの大口径化とも関連して採用されつつある．集積回路の製造にはCZ-Si単結晶が広く用いられている．
FZ法：棒状の多結晶Siを吊し，高周波コイルで加熱して部分的に帯状に溶かす．融液部分に小さな種結晶を接触させてから，帯状の溶解部分を上方に移動させ，全体を徐々に単結晶化させる．FZ法では，ルツボを用いないため酸素含有量を少なくできるが，ウェーハの大口径化が困難である．

回転させながら引き上げ

種結晶

Si単結晶

加熱部分を移動させながら結晶化

多結晶塊

高周波コイル

石英るつぼ

Si単結晶
溶融Si

(a) CZ法の概念図

種結晶(b) FZ法の概念図

図7-4 単結晶シリコンインゴットの製造方法

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pixel & SCT

out of 36 average hits

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muon

σp/P=P(TeV)σ(1/p)

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GeV

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Photon measurement

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