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J-PARC ミューオンg-2/EDM 実験 : シリコンストリップ検出器用読み出し回路の要求性能
J-PARC muon g-2/EDM experiment:Required performance of read-out circuit for silicon strip sensors
古浦新司A,B
池田博一B,C, 池野正弘B,D, 上野一樹B,D, 内田智久B,D, 川越清以A, 高力孝B,D, 齊藤直人D, 佐々木修B,D, 調翔平A,B, 田中真伸B,D, 東城順治A,B,
西村昇一郎E, 三部勉B,D, 吉岡瑞樹A, 他J-PARC muon g-2/EDMコラボレーション
九大理A, Open-ItB, JAXAC, KEK素核研D, 東大理E
日本物理学会第69回年次大会@東海大学湘南キャンパス2014.03.30
もくじ
• J-PARC ミューオン g-2/EDM実験
•陽電子飛跡検出器 –シリコンストリップセンサー
•読み出しフロントエンドASICの要求性能
•開発スケジュール
•新型ASIC – 64chプロトタイプ “SlitA2013”
• シミュレーションによる評価結果
• まとめ
1
ミューオン蓄積磁石(3T)
J-PARC ミューオンg-2/EDM実験ミューオン g-2
現在の精度:0.54 ppm @BNLSMの予測値から3.3σの乖離
ミューオン EDM現在の上限:10-19 e・cmSMにおいては強い制限
より高い精度でズレが確認できれば新物理
有限の大きなEDMが測定されれば新物理
g-2 : 0.1 ppmの精度EDM : < 10-21 e・cmの感度
を目標とする
• 無電場蓄積リング• 極冷ミューオン
先行実験とは全く異なる新手法
J-PARC ミューオンg-2/EDM実験
J-PARC 物質生命科学実験施設(MLF)ミューオン基礎物理ビームライン(H-Line)
2
無電場・一様磁場の蓄積リング内でミューオンがスピン歳差運動
Instantaneous
rateg-2 period : 2.2μsec
1.6 MHz/strip
16 kHz/strip
陽電子飛跡検出器
崩壊から出る陽電子の計数変化からg-2陽電子の上下方向の放出角度非対称性の時間変動からEDM
高いgranularity, 速い応答, 高安定性…
シリコンストリップセンサーを使用
2桁減少!
3
崩壊陽電子の飛跡・時間測定高磁場(3T)での動作高イベントレート耐性
大きなレート変化への耐性
…が求められる
読み出しフロントエンドASICの要求性能
• レート耐性Hit rate : 1.6MHz / strip
• 時間測定> 5 life time → 40μs
• チャンネル数768ch in small space → 128ch / chip
全体としてのRequirements
Parameters Requirements
ゲイン > ~19 mV/fC
ノイズ < 1600 e
S/N 15
パルス幅 < 100 ns
ダイナミックレンジ 5 MIP
チャンネル数 128
タイムウォーク << 5ns
消費電力 As small as possible
ASICアナログ部へのRequirements
Analog part Digital part
PreAMPShaper Comparator
DAC
TDCCompressorSerializer
Digital control
~100nsgood S/N
Time walk << 5ns
5ns time stamp40μs digital memoryZero data suppress
ASICブロック図
今回お話するのはこちら
FPG
A
検出器信号
増幅・整形
スレッショルド調整AD変換
4
フロントエンドASIC開発スケジュール• 2011 16chプロトタイプ(Analog & digital)デザイン
• 2012 16chプロトタイプ”SlitA”評価
64chプロトタイプ(Analog & digital)デザイン
• 2013 64chプロトタイプ”SlitA2013”評価
• 2014 128ch実機デザイン開始
• 2015 実機量産開始
本講演
調講演30pTF-7
日本物理学会第68回年次大会上野講演
概ね要求は満たしていたが…
パルス幅が約130ns<100nsの要求をオーバーしていた
Process : UMC 0.25μm
5
新型ASIC – 64chプロトタイプ “SlitA2013”
プロセスを変更 : UMC 0.25μm → Silterra 0.18μmチャンネル数を増設 : 16ch → 64ch
構造自体はほぼ先代ASIC ”SlitA”のまま
Det
ect
or
sign
al
To D
igit
al p
art
先代ASIC ”SlitA”の結果も踏まえ新型プロトタイプをデザイン
6
シミュレーションによる評価1
40.9 mV/fC
ゲイン
> 5MIP
ダイナミックレンジ
4.0 ns@1-5MIP
タイムウォーク
24.2 ns@1MIP
パルス幅
• Spiceシミュレーション(Spectre)を使用• 検出器の容量Cdetは15pFとした• 1MIPは、3.6fCに相当
Comparator 入力信号for 1MIP – 5MIP input
Digital 出力
time [ns]
V[m
V]
V[m
V]
width
time walk
7
シミュレーションによる評価2
100 ns間隔@ 1MIP(= 3.6 fC)を分離可能
10MHz以上のレート耐性
パイルアップ耐性
等価雑音電荷(ENC)で評価ENC = σ[mV] / A[mV/fC] / e[fC]
σ : noise, A : ゲイン, e : 素電荷
959e @ Cdet=15pF
ノイズ
time [us]
V[m
V]
V[m
V]
周波数 [Hz]
ノイズの周波数分布入力1MIP, Cdet = 15 pF
V /
sq
rt(H
z)8
Comparator 入力信号1MIP@interval 100ns
Digital 出力
シミュレーション結果まとめ
Parameters Requirements Simulation result
ゲイン > ~19 mV/fC 41 mV/fC
ノイズ < 1600 e 959 e
S/N 15 19.6
パルス幅 < 100 ns 24.2 ns @ 1MIP
ダイナミックレンジ 5 MIP > 5MIP
チャンネル数 128 64
タイムウォーク << 5ns 4 ns
消費電力 As small as possible 2mW/ch
9
まとめ
• J-PARC ミューオンg-2/EDM実験は、ミューオンの異常磁気モーメントg-2及び電気双極子モーメントEDMをそれぞれ0.1ppmの精度、10-21e・cmの感度で測定することを目指す
• ミューオンの崩壊陽電子の飛跡検出はシリコンストリップセンサーによって行われる
• そのフロントエンド回路には速い読み出しが要求されるため、本実験独自のフロントエンドASICを開発中である
• 新規にデザインしたASIC ”SlitA2013”がシミュレーション上で実験要求を満足することが確かめられた
• 実機の評価は、次の調の講演で報告する
10
Back up
先代ASIC - 16chプロトタイプ “SlitA”ASIC 本体
SlitA Evaluation board
概ね要求は満たしていたが…
パルス幅が約130ns<100nsの要求をオーバーしていた
Process : UMC 0.25μm日本物理学会 第68回年次大会
上野講演
AVRfor control
~10
cm
新型ASIC – 64chプロトタイプ “SlitA2013”
Simulation – Wave form
Peaking time and pulse width got better!!
Black : 0.25um process
Black : 0.25um process
Blue : 0.18um process
Purple : 0.18um process
Pre-amp out
Comparator input
Peaking time : 40ns → 20ns
Pulse width : ~100ns → <80ns
Noise : 2500e →
1700e@Cdet30pF