1201■ 談話室

Ozaki Exchange Program 2020 報告書
名古屋大学理学研究科理学専攻物理科学領域 博士後期課程１年

前田 朱音
amaeda@hepl.phys.nagoya-u.ac.jp
2022 年 (令和 4 年) 10 月 10 日

はじめに

1

私は Ozaki Exchange Program 2020 に参加した．本ASIC は RD53A と呼ばれており，検出器やデータ輸送の制御をおこなう．

プログラムは人材交流を目的としており現地渡航が必須

Inner Barrel には図 3 のように L0 Stave，L1 Staveや Ring が存在し，それらから得られた信号は PP0 と呼条件であったが，2020 年の COVID−19 によるパンデばれる基板に集められ、より後段の読み出しシステムへミックにより渡航を断念した．2022 年に入り渡航が可と送信される．受け入れ先の研究室ではこれらの読み出能になったため同年 6 月 28 日から同年 9 月 6 日までア

し系と検出器組み立てのための開発をおこなっていた．

メリカの SLAC National Accelerator Laboratory に赴

そこで私は，モジュール −Ring−PP0 間のデータ転送き研究をおこなった．

試験と，L1 Stave へのモジュールの実装方法の開発をおこなった．

活動内容

2

活動期間中は 2029 年に開始が予定されている CERNの HL-LHC に向けた ATLAS 検出器のアップグレードに関わった．HL-LHC ではルミノシティを Run3 の 2 倍程度にすることでトリガーとパイルアップのレートが 10倍程度になることが予想されている．同時に ATLAS 検出器の検出可能範囲の拡大も予定されており，検出器の改良が必要になる [1]．その中でも私は Inner Tracker 検出器の開発に関わった．

図 1: ITk 検出器の概観．検出器は大きく中央の Barrel部と左右の Endcap 部に分けられる．さらに各部は内側

2.1

Inner Tracker 検出器の概要

から Inner，Outer，Strip の３つに分けられる [1]．

図 1 の Inner Tracker (ITk) 検出器は現行の ATLAS検出器の最内層に位置する Inner Detector に替わる検出器として開発されている．これを交換することでルミノシティの向上によるトリガーレートの増加に対応すると同時に検出可能範囲も拡大する．
シリコン半導体の pixel 検出器が各モジュールの背面に，前面には読み出しのための ASIC を含む回路が図 2のように搭載されている．荷電粒子が半導体の np 接合層を通過する際に引き起こされる電離電子を信号として読み出す．np 接合層が ASIC が 3 つ搭載された Triplet は垂直に 25 µm ，ASIC が 4 つの Quad は水平に 100 µmの層厚で配置されている．これは垂直配置によるドリフト時間の短縮により放射線耐性が向上するためである．

図 2: 今回の研究で使用したモジュール．(a) は Quad と呼ばれ L1 部分に使用される．名前の通り ASIC のチップを４つ搭載している．(b) は Triplet と呼ばれ ASIC を３つ搭載している．Triplet には L0 Stave 用の Straightと Ring 用の Curve の２種類が存在する．

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図 5: 測定したアイダイアグラムの例．縦軸が信号の大きさ [mV]，横軸が時間 [ps] を表す．右の交差点と左の
図 3: L0 ，L1 Stave 周囲の構造．内側から L0，L1 と数交差点の間隔を測定する．間隔が広いほど良い．今回のえられ，板状の構造は Stave，円形の構造は Ring と呼測定では 350 ps 程度の幅で正常だった．

ばれる。L0 Stave には Triplet が，L1 Stave には Quadがインストールされる．Ring には両方のモジュールがL0，L1 に対応する位置にインストールされる [2]．

2.1.1

Triplet のデータ転送テスト

初めに試作機 (図 4) の Ring 上のモジュールナンバーとPP0 上のモジュールナンバーを対応させる作業から始めた．加えて各モジュールには制御用の 1 レーン (CMD)，データ転送用の 3 レーンの計 4 本の信号をやりとりする
レーン1 が存在し，データ用のレーンは Ring 側と PP0側で異なるレーンに接続されるのでそれら全ての接続を調べた．発振機を用いてダミーの矩形波を Ring に入力し，出力されるレーンを確認した．
対応表の作成後はモジュール −Ring 間をつなぐ 16 本の Flex と呼ばれるケーブルのデータ転送精度を測定した．測定自体はモジュールからの信号を Ring と Flex 経てオシロスコープで読み出し，図 5 のようなアイダイアグラムの幅を測定するものだった．測定自体は大きな問
題なく進みすべての Flex 通過後のアイダイアグラムの図 6: 上：正常な CMD 信号，下：問題のある CMD 信号．モジュールや発信機に問題がないことは確認したので，PP0 か Ring に問題があると思われる．

大きさが 350 ps 程度と問題のない範囲で機能することを確認した．最後に一連のデータ転送効率を DP ケーブルの長さごとに測定した．だが，途中で測定器の不調により最後まで測定することができなかった．測定できた範囲では図 6 のように CMD の一つに問題があることがわかった．

2.1.2

モジュール接着方法の検討

受け入れ先では各モジュールを Stave や Ring に接着する方法の開発もおこなわれていた．各モジュールは開発済みのエポキシ系接着剤をカーボン製の土台に米印のように印刷し接着する．印刷に必要なシステムの開発はおおかた終了していたが，図 7 の Stave 端にある冷却用のチューブと接着剤印刷のための針が干渉し１モジュール分の印刷ができない問題があった．そこでモジュールに接着剤を直接印刷し，Stave に載せる方法と曲げた針を用いて印刷する方法の２つ解決策が提案された．私はこれらの解決策の検証をおこなった．

図 4: 測定中の様子．中央の Ring の右上が Quad モ
ジュール，左側が PP0．PP0 の右下から伸びるのが DPケーブルで後段の読み出しにつながる．
1 一つの接続端上に存在するデータ伝送路のこと

一つ目の解決案では Stave への搭載時の回転により接着剤の均一性が損なわれないかを確認する必要があった．この回転動作は 30 秒程度であるが，搭載時の事故なども考慮して実験においては 5 分垂直に静置することで代替した。そこでガラスの上に接着剤を印刷し，5 分

3203程度垂直に置いてから別のガラスを接着したテストサン
プルを作成した．テストサンプルと 5 分程度垂直に置かずに作ったコントロールサンプルの接着剤の形を画像解
析ソフト ImageJ を用いて図 8 のように比較した．
垂直静置により接着剤が流れた場合，ガラス接着後の接着剤のパターンが非対称になると考えられた．よって抽出した輪郭を用いて以下の式から輪郭の歪度を計算し，影響を評価した．ここで f (x, y) は 2 次元の関数であり，(p + q) 次元のモーメントは (1) 式で表される [3]．

図 9: 歪みの測定結果．横軸は (µ30 , µ03 ) のベクトルのノルムで歪みの大きさ，縦軸は印刷された接着剤の数を示す．Reference はコントロールサンプルを意味する．
コントロールサンプルが複数あるのは異なる接着剤シリンジを使用したためである．Reference 1 と Sample 7，

Reference 2 と Sample 9, 10 は同一のシリンジを用いて印刷した．
歪度の計算は画像解析における重心の計算やその高次式に従い (3) 式の µ03 と µ30 を評価パラメータとした．こ次に曲げた針を使ったテストをおこなった．現状の針れは質量分布を書いた時，重心を中心したガウス分布のは 6 mm と短いため，曲げることができない．そこでよ

標準偏差に当たる [4]．測定結果は図 9 の通りで，5 分のり長い 40 mm のものを用意し，それらを図 10 のよう垂直静置では印刷された接着剤パターンへの影響によるに曲げた．まず曲げる前の針で 110 µg の接着剤を印刷

歪みの影響は見られなかった．

するのに必要な針から接着剤を出すのに必要な圧力を比較した．針が長くなるにつれて圧力が高くなり，40 mmの針で 7.5 PSI2 の圧力が必要になり，6 mm の時の 1.5倍となった．圧力が高いと接着剤に穴が開きやすくシリンジの交換回数が増加するため，圧力が低くなるような工夫をする必要がある．元々は市販のプラスチック製の接合部を持つシリンジを使用していたが、曲げる際に折れやすかったため，針の部分を作成した．そこで図 10のようにシリンジと針の接合部に使う密閉素材をゴムと金属の二種類用意して圧力を測定した．結果は図 11 の

図 7: Stave を冷却するためのチューブ．これと接着剤通りで，金属の方が必要な圧力は低かった．

を印刷するための 6 mm の針が干渉する．

図 8: ImageJ を用いた画像解析．左が取得した画像デー
タ，中央が輝度を基準に接着剤と背景を分離し白黒画像に変換したもの，右が得られた白黒画像から輪郭を抽出したもの．

図 10: B-1 は密閉素材にゴムを使用し，B-2 は金属のみを使用した．
2 Pound force per Square inch

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ケーションを取るのが大変な中，受け入れ先の教授である Charles Young 氏が頻繁に研究所内を周り学生やスタッフとコミュケーションをとっている姿が印象的だった．加えて外で昼食やパーティーをしながら議論するな
ど，こまめにコミュニュケーションを取る生活を送った．
また居室で私の隣にいた博士学生の Jannicke Pearkes 氏の元にはひっきりなしに学生が訪れ，解析の手法などについて議論していた．今後は自分がこうした存在になれるよう，研究室のメンバーと今まで以上にコミュニケーションを取りたい．

謝辞
図 11: 密閉素材の違いによる圧力の比較．C は市販の針 (40 mm) を B−1，B−2 と同様に曲げた時の結果．

今回の渡航にあたっては数多くの人にお世話になりました．渡航前には指導教員や所属研究室の先生方にご理解いただき，大学の許可を得ることができました．

COVID−19 の影響で２年間渡航ができず Charles Young3

活動期間中の生活氏には長期に渡りお忙しい中，受け入れを延期していただきました．また渡航中は Charles Young 氏だけでな

今回はホームステイのように一般家庭の寝室を借りる

く，本文で述べた研究を共におこなった Eric Miller 氏

方法で２ヶ月滞在した．最初に困ったのは移動手段で，や Alex Wang 氏には根気強く実験にお付き合いいただ

滞在先から SLAC まで行くのにバス停まで 20 分と遠く，いたことを感謝申し上げます．研究面だけでなく所内を本数も少ないことであった．そこで自転車を購入したの案内していただいた Su Dong 氏や学生内でのイベント

だが，期間中２回パンクしたりと大変だった．一方バスに積極的に誘っていただいた Jannicke Pearkes 氏にも感や電車での移動では自転車を載せるためのスペースがあ謝したいです．長橋なおみ氏にはアメリカでの生活で役り，日本よりも自転車での遠出に向いていると感じた．

立つ助言を数多くいただき，大きなトラブルもなく過ご渡航期間中にはアメリカ独立記念日があり，滞在先のすことができました．アメリカの生活に不慣れで迷惑を方がパレードやホームパーティに連れて行ってくださっかけることもあったが，滞在先やそのご家族にも感謝をた．パレードでは警察や軍，ゴミ収集車から地元のサッ述べたいと思います．このほかにも受け入れ研究室のスカーチームやクラシックカーの愛好家まで参加していた．

タッフ，学生方には滞在期間中大変おせわになりました．

またパレードに付随して屋台や服飾の市が立っており，ありがとうございました．最後に今回２ヶ月の長期に渡市民のためのお祭りなのだと感じた．パレードの後のり送り出してくれた家族にも感謝したいと思います．

ホームパーティでは近所の人が集まってメキシカンフードを食べながら談笑していた．おすすめの観光地や食べ物を教えてもらい，私も自分がどんな研究をしてるかな
どを話した．夜には打ち上げ花火が上がり，パーティーに来た子供たちも庭で花火をしていた．

参考文献[1]ATLAS Collaboration, Technical Design Report for

今回の研修を通して，普段の自分の研究で参加していthe ATLAS Inner Tracker Pixel Detector, ATLASTDR-030, CERN-LHCC-2017-021, 2017[2]Timon Heim, Status of the ATLAS Inner Tracker
Upgrade: Moving from Prototyping to the Production
Phase, Research Progress Meeting, 03/25/21

る Belle II 実験とは異なる実験に参加することができた．

[3]ImageJ https://imagej.nih.gov/ij/ 10/06/22/アクセ

これにより普段の研究生活ではおこなうことのなかったス

画像解析やアイダイアグラムの測定方法などを知ること[4]Joshua D. Martin, Multivariate Moments to Characterize Nuclear Recoil Track Directionality in Low-4

今後の抱負ができた．今回の滞在では今後の研究で私自身の幅を広げてくれるよい経験になった．
所内に実験室や居室が分散している上，臨時の学生や技術者を含めた数多くのスタッフが所属し直接コミュニ

Pressure TPCs, degree of Bachelor(UNIVERSITY OF
NEW MEXICO), 2015