Post on 08-Oct-2020
SiTCP技術を用いたSOI pixel検出器読み出しシステムの開発日本物理学会 2008年秋季大会＠山形大学2008/09/23 (23aSJ-7)
廣瀬穣、花垣和則、内田智久A、新井康夫B、坪山透B、池本由希子B、三好敏喜B、堀井泰之Cその他SOI検出器開発グループ(大阪大学、東京大学A、高エネルギー加速器研究機構(KEK)B、東北大学C)
1
• SOI waferのBOX(Buried Oxide)層の上の回路部分を読み出し回路、もう一方の基板をセンサーとして利用する一体型ピクセル検出器
• 利点! 半導体検出器に有利な高抵抗のウェハをセンサー側に選択可能! 機械的接合が無い(No wire or bump bonding)! 浮遊容量の低減による高いS/N比! 研削、研磨による薄型化が可能 ! 高放射線耐性
SuperBelle, ILC, superLHC等の次世代の加速器実験への有望な候補！X-ray image sensor等にも応用可能
SOI Pixel 検出器とは...
2
!"!#$%"&'(!)%"*+,-'!
出来た事、今後しなければならない事• 前年度までの成果! COBIボードと呼ばれるUSBを用いたInterfaceボードでの読み出しにより、積分型ピクセル検出器で可視光、β線の検出を確認
! 60Coによるγ線照射実験を行い、照射後に絶縁膜上の回路が動作することを確認
• 課題! back-gate bias効果の克服➡SOI特有の問題で、センサーに電圧を掛けることにより、絶縁膜上のトランジスタが動作しなくなる
! 荷電粒子ビーム、X線の検出確認
3
出来た事、今後しなければならない事• 前年度までの成果! COBIボードと呼ばれるUSBを用いたInterfaceボードでの読み出しにより、積分型ピクセル検出器で可視光、β線の検出を確認
! 60Coによるγ線照射実験を行い、照射後に絶縁膜上の回路が動作することを確認
• 課題! back-gate bias効果の克服➡センサーに電圧を掛けることにより、絶縁膜上のトランジスタが動作しなくなる
! 荷電粒子ビーム、X線の検出確認
4
今回のTalkでは、新しい読み出しシステム + それを用いたX線検出テストについて
汎用読み出しボード作成
SOIPIX評価用読み出しボード
5
• SEABAS(Soipix EvAluation BoArd with Sitcp)! ADC(65MHz, 12bit), DAC(12bit, 4ch), NIM I/O(2chずつ)SiTCP(100Mbps), FPGA(VIRTEX4), 信号線120本(User FPGAより)
! 評価したいSOIPIXのチップに合わせたサブボードを付け替えることにより様々なPIXEL検出器を評価できる汎用読み出しボード
4つのコネクタでサブボードに繋がる
信号線の数やADCなどの要求を満たせばSOIPIX以外にも
使用可能
SEABASを用いたDAQ system• SiTCP : 内田智久氏(東大)が開発したネットワークプロセッサ! FPGA上に実装したハードウェアでTCP/IPの処理を実現➡ハードで処理するため、帯域上限で安定してデータ転送可能
• Ethernetを通したDAQシステム! DAQには普通のPCを用意するだけでよく、設置場所の制限もない。
• SiTCPのInterfaceは同期FIFOとほぼ同じ! USERがSOIPIXから得たデータをPCに送信するのは簡単
6
SOIPIX
DATA
USER FPGAInternet
SiTCPnetworkの処理
DAQ Software
SEABAS + SubBoard
Ethernet100
Mbps
7
SOIPIX
DATA
USER FPGASiTCPが自動で処理し、
PCと通信
InternetFIFO Ethernet
DAQ Software
SEABAS + SubBoard
SEABASを用いたDAQ system• SiTCP : 内田智久氏(東大)が開発したネットワークプロセッサ! FPGA上に実装したハードウェアでTCP/IPの処理を実現➡ハードで処理するため、帯域上限で安定してデータ転送可能
• Ethernetを通したDAQシステム! DAQには普通のPCを用意するだけでよく、設置場所の制限もない。
• SiTCPのInterfaceは同期FIFOとほぼ同じ! USERがSOIPIXから得たデータをPCに送信するのは簡単
• 今回僕が開発した部分は、1月にSubmitした3種のSOIPIXについて、、、! SEABASを操作するSoftware(C++を用いてLinux, Mac, Windows上で動くプログラム)
! USER FPGAを用いSOIPIXを操作するFirmware(Verilog HDLにてCoding)
8
SOIPIX USER FPGA
Internet
DAQ Software
SEABAS + SubBoardここの開発を担当
SEABASを用いたDAQ system
読み出しparameter送信TCP Connection確立
SOIPIX 読み出しシステムの流れ
9
SEABAS SOIPIX
Trigger待ち
DAQ開始信号
受信待ち
SOIPIX
parameter set
データ送信Data受信、保存
Data Set
FIFOに保存
Address送信
Data出力
PixelScan
PC
10
SEABAS SOIPIX
Trigger待ち
DAQ開始信号
受信待ち
SOIPIXTCP Connection確立
読み出しparameter送信
parameter set
データ送信Data受信、保存
Data Set
FIFOに保存
Address送信
Data出力
PixelScan
PCSOIPIX 読み出しシステムの流れ
10
SEABAS SOIPIX
Trigger待ち
DAQ開始信号 Trigger!
受信待ち
SOIPIXTCP Connection確立
読み出しparameter送信
parameter set
データ送信Data受信、保存
Data Set
FIFOに保存
Address送信
Data出力
PixelScan
PCSOIPIX 読み出しシステムの流れ
11
SEABAS SOIPIX
Trigger待ち
DAQ開始信号
受信待ち
SOIPIXTCP Connection確立
読み出しparameter送信
parameter set
データ送信Data受信、保存
Data Set
FIFOに保存
Address送信
Data出力
PixelScan
PCSOIPIX 読み出しシステムの流れ
12
SEABAS SOIPIX
Trigger待ち
TCP Connection確立読み出しparameter送信
parameter setDAQ開始信号
受信待ち
SOIPIX
データ送信Data受信、保存
Data Set
FIFOに保存
Address送信
Data出力
PixelScan
全ピクセル送信後
PCSOIPIX 読み出しシステムの流れ
13
2次元イメージ ADC分布
DAQ中の画面の例 (imageをリアルタイム表示)
今回テスト結果を発表するピクセル• 2008年1月にサブミットした新しいSOIPIXのChip
• INTPIX2(積分型ピクセル, 128×128 pixels (pixel size : 20μm×20μm))! USERの指定した時間内の電荷を絶縁膜上の回路のCapacitorに溜め、その電位差を出力とする
• CNTPIX2(計数型ピクセル, 128×128 pixels (pixel size : 60μm×60μm))! X線測定器を目標とするピクセル型検出器! 絶縁膜上の回路にプリアンプ、Discriminator(Hi,Lo)、16bit counterを持ち、Hi, Loのthresholdをクリアしたシグナルを計数し出力とする
14
X線照射テスト@KEK物構研• X線発生装置(Rigaku FR-D@KEKPF)を用いてテストを行った! 管電圧 : 30~50kV管電流 : 10~60mAtarget : Cu (CuKα ~8keV)
• 必要なもの! SEABAS! SUB BOARD(INTPIX2, CNTPIX2用)
! 電源×2! PC (C++が使える環境)
15
非常にコンパクトなDAQシステム！
X線
16
X-ray Image(INTPIX2)• 真鍮製のMaskを用いて撮像! 管電圧 : 30kV, 管電流 : 10mA (2.4×103[pixel-1sec-1])! Vdet(逆バイアス電圧) = 1.5V (空乏層~20μm程度) ! (電荷収集時間) = 800μs! X線のピークが確認できる
h1Entries 16384
Mean 0.02568± 14.37
RMS 3.286
Integral 1.638e+04
-400 -200 0 200 400 600 800 1000
1
10
210
310
adc h1Entries 16384
Mean 1.57± 107.7
RMS 200.9
Integral 1.638e+04
adc
0 20 40 60 80 100 1200
20
40
60
80
100
120
image
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
image
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
0 20 40 60 80 100 1200
20
40
60
80
100
120
image
(ADC)-<pedestal>
h1Entries 16384
Mean 0.02568! 14.37
RMS 3.286
Integral 1.638e+04
-400 -200 0 200 400 600 800 1000
1
10
210
310
410
adch1
Entries 16384
Mean 1.57! 107.7
RMS 200.9
Integral 1.638e+04
adc
2.56mm
PIN Photodiodeで過去にキャリブレーションした結果
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 40000
100
200
300
400
500
600
700
800
adc pedeEntries 65536
Mean 0.2447! 1182
RMS 62.65
Integral 1.638e+04
/ ndf 2! 82.78 / 68
Constant 7.8! 843
Mean 0.5! 1183
Sigma 0.3! 61.7
adc
-400 -200 0 200 400 600 800 1000
1
10
210
310
410
adch1
Entries 16384
Mean 0.02379! 15.85
RMS 3.045
Integral 1.638e+04
adc
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
0 20 40 60 80 100 1200
20
40
60
80
100
120
imageimage
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
0 20 40 60 80 100 1200
20
40
60
80
100
120
image
h1Entries 16384
Mean 0.02379! 15.85
RMS 3.045
Integral 1.638e+04
-400 -200 0 200 400 600 800 10001
10
210
310
410
adch1
Entries 16384
Mean 0.02568! 14.37
RMS 3.286
Integral 1.638e+04
adc
0 20 40 60 80 100 1200
20
40
60
80
100
120
image
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
image
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
0 20 40 60 80 100 1200
20
40
60
80
100
120
image
h1Entries 16384
Mean 0.02568! 14.37
RMS 3.286
Integral 1.638e+04
-400 -200 0 200 400 600 800 1000
1
10
210
310
410
adch1
Entries 16384
Mean 1.57! 107.7
RMS 200.9
Integral 1.638e+04
adc
0 20 40 60 80 100 1200
20
40
60
80
100
120
image
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
image
h1Entries 16384
Mean 1.57! 107.7
RMS 200.9
Integral 1.638e+04
-400 -200 0 200 400 600 800 1000
1
10
210
310
410
adc h1Entries 16384
Mean 1.515! 103.9
RMS 193.9
Integral 1.638e+04
/ ndf 2! 1.266e+04 / 72
Constant 3.4! 142
Mean 2.4! 436
Sigma 2.3! 125.6
adc
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
0 20 40 60 80 100 1200
20
40
60
80
100
120
image
h1Entries 16384
Mean 1.515! 103.9
RMS 193.9
Integral 1.638e+04
/ ndf 2! 1.266e+04 / 72
Constant 3.4! 142
Mean 2.4! 436
Sigma 2.3! 125.6
-400 -200 0 200 400 600 800 1000
1
10
210
310
410
adc h1Entries 16384
Mean 1.515! 103.9
RMS 193.9
Integral 1.638e+04
/ ndf 2! 1.266e+04 / 72
Constant 3.4! 142
Mean 2.4! 436
Sigma 2.3! 125.6
adc
0 20 40 60 80 100 1200
20
40
60
80
100
120
image
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
image
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
0 20 40 60 80 100 1200
20
40
60
80
100
120
image
• Vdetに応じてADCの値が変化する! X線がセンサー部で反応しているという保証
ADC CountのVdet依存性
17
ADC-<pedestal>
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 40000
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
-310!
adc pedeEntries 196608
Mean 0" 0
RMS 0
Integral 0
/ ndf 2! 0 / -3
Constant 1.4" 1
Mean 1.4" 0
Sigma 1.4" 1
adc
-400 -200 0 200 400 600 800 1000
1
10
210
310
410
adc
h1Entries 16384
Mean 0.02047" 0.3652
RMS 2.62
Integral 1.638e+04
adc
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
0 20 40 60 80 100 1200
20
40
60
80
100
120
imageimage
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
0 20 40 60 80 100 1200
20
40
60
80
100
120
image
h1Entries 16384
Mean 0.02047" 0.3652
RMS 2.62
Integral 1.638e+04
-400 -200 0 200 400 600 800 1000
1
10
210
310
410
adch1
Entries 16384
Mean 0.02052" 3.058
RMS 2.626
Integral 1.638e+04
adc
0 20 40 60 80 100 1200
20
40
60
80
100
120
image
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
image
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
0 20 40 60 80 100 1200
20
40
60
80
100
120
image
h1Entries 16384
Mean 0.02052" 3.058
RMS 2.626
Integral 1.638e+04
-400 -200 0 200 400 600 800 1000
1
10
210
310
adc
h1Entries 16384
Mean 1.186" 77.3
RMS 151.9
Integral 1.638e+04
adc
0 20 40 60 80 100 1200
20
40
60
80
100
120
image
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
image
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
0 20 40 60 80 100 1200
20
40
60
80
100
120
image
h1Entries 16384
Mean 1.186" 77.3
RMS 151.9
Integral 1.638e+04
-400 -200 0 200 400 600 800 1000
1
10
210
310
adch1
Entries 16384
Mean 1.267" 82.67
RMS 162.1
Integral 1.638e+04
adc
0 20 40 60 80 100 1200
20
40
60
80
100
120
image
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
image
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
0 20 40 60 80 100 1200
20
40
60
80
100
120
image
h1Entries 16384
Mean 0.01181! -1.594
RMS 1.512
Integral 1.638e+04
-400 -200 0 200 400 600 800 1000
1
10
210
310
410
adc
h1Entries 16384
Mean 0.01174! -0.7974
RMS 1.503
Integral 1.638e+04
adc
0 20 40 60 80 100 1200
20
40
60
80
100
120
image
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
image
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
0 20 40 60 80 100 1200
20
40
60
80
100
120
image
h1Entries 16384
Mean 0.01174! -0.7974
RMS 1.503
Integral 1.638e+04
-400 -200 0 200 400 600 800 1000
1
10
210
310
410
adch1
Entries 16384
Mean 0.01166! 0.5176
RMS 1.493
Integral 1.638e+04
adc
0 20 40 60 80 100 1200
20
40
60
80
100
120
image
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
image
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
0 20 40 60 80 100 1200
20
40
60
80
100
120
image
h1Entries 16384
Mean 0.01166! 0.5176
RMS 1.493
Integral 1.638e+04
-400 -200 0 200 400 600 800 1000
10
210
310
410
adc
h1Entries 16384
Mean 0.01212! 0.0274
RMS 1.552
Integral 1.638e+04
adc
0 20 40 60 80 100 1200
20
40
60
80
100
120
image
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
image
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
0 20 40 60 80 100 1200
20
40
60
80
100
120
image
h1Entries 16384
Mean 0.01212! 0.0274
RMS 1.552
Integral 1.638e+04
-400 -200 0 200 400 600 800 1000
1
10
210
310
410
adch1
Entries 16384
Mean 0.01117! 0.3211
RMS 1.429
Integral 1.638e+04
adc
0 20 40 60 80 100 1200
20
40
60
80
100
120
image
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
image
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
0 20 40 60 80 100 1200
20
40
60
80
100
120
image
1.5V1V0V
ADC-<pedestal> ADC-<pedestal>
空間分解能(INTPIX2)• X線テストチャートを用いて評価! 囲んだ範囲のProfileをとり、空間分解能を評価する➡20lp/mm(=スリット幅が25μm)が区別できる➡INTPIXはピクセルサイズが20μm×20μmなのでreasonable
18
[lp/mm]
12.5 16 20
h1Entries 16384
Mean 16.65± 225.9
RMS 1908
Integral 1.313e+04
0 10000 20000 30000 40000 50000 60000
10
210
310
410
count
h1Entries 16384
Mean 77.28± 2650
RMS 9497
Integral 1.51e+04
count
0 20 40 60 80 100 1200
20
40
60
80
100
120
image
0
50
20
25
30
35
40
45
50
image
0
50
20
25
30
35
40
45
50
0 20 40 60 80 100 1200
20
40
60
80
100
120
image
0 10000 20000 30000 40000 50000 60000
1
10
210
310
410
count
h1Entries 16384
Mean 17.97± 227.9
RMS 2060
Integral 1.314e+04
count
0
500
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0 20 40 60 80 100 1200
20
40
60
80
100
120
imageimage
0
500
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0 20 40 60 80 100 1200
20
40
60
80
100
120
image
X-ray Image(CNTPIX2)• 真鍮製のMaskを用いて撮像! 管電圧 : 30kV, 管電流 : 10mA (2.28×104[pixel-1sec-1])! Vdet = 1.5V (空乏層~20μm程度)! (計数時間) = 1.6ms
19
・計数時間とX線のefficiency を見積もると期待される 、Countは~10程度・更なる解析が必要
Xray 無し
Xray 有り
計数が多くなるピクセルが増える
7.68mm
• X線テストチャートを用いて評価
• 6.3 lp/mm→80μmのスリットが区別できている。
• CNTPIX2はピクセルサイズ60μm×60μm! 8 lp/mmが62.5μmのスリットなので見えてもよいはず
20
空間分解能(CNTPIX2)
5 6.3 8 10 12.5 16 20 [lp/mm]
・アライメントの問題・Counterの挙動が怪しい
もう一度、基本動作のチェックが必要
Summary• SOI技術を用いたPixel検出器のR&Dを進めている! SOIPIXは高速動作、低消費電力、高放射線耐性など数多くの利点がある! back-gate bias効果など、SOI特有の問題点を改善したい
• 今後のテスト用の汎用読み出しボード、SEABASを作成。! SiTCPを用いて、ネットワークによる読み出しシステムを構築➡テストに便利なコンパクトなDAQシステム
! 現在1月にSubmitしたSOIPIXのChipのテスト中
• INTPIX, CNTPIXを用いて、X線を用いたImagingに成功! まだ理解できていない部分があるので更なる解析が必要
21