Development of Fine-pitch Silicon Strip Detector for Precise CP Violation Measurement in B Meson Decays

开发用于精确测量 B 介子衰变中 CP 破坏的细间距硅条探测器

基本信息

批准号：
19H01912
负责人：
中村克朗
金额：
$ 11.07万
依托单位：
High Energy Accelerator Research Organization
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2019
资助国家：
日本
起止时间：
2019-04-01 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-19H01912/
关键词：
半導体検出器シリコン検出器 DSSD ASIC シリコンストリップ SSD

项目摘要

本研究は、超高輝度加速器を用いた素粒子フレーバー物理実験であるBelle II実験において、将来の加速器性能向上を見据えたシリコン崩壊点位置検出器のアップグレード計画として、薄型挟ピッチの両面読み出しシリコンストリップ検出器を新たに開発することが目的となる。この研究目的のために、厚み150um以下・ストリップピッチ50umを持つセンサー、およびノイズ1000e-以下・信号時間幅60ns程度の読み出しASICの開発が目標となる。２０２１年度は読み出しASIC試作品の性能評価試験を行なった。まずは性能評価のための試験基板を設計・開発した。加えて、市販のFPGA評価基板を用いて試験基板とPCとの間を仲介しSNAP128の制御とデータ収集を担う回路を開発し、このファームウェアの設計を行なった。これにより、PCによる読み出しASICのシェーパー出力波形・ゲイン・ノイズ測定を可能にした。測定した結果から、波形成形後の信号時間幅はシミュレーションでの予想とほぼ一致しており、約60nsであることを確認した。測定された時間幅は要求値を満たしている。一方、ゲインに相当する波高はシミュレーションの70%程度となっていることを確認した。こちらは検出器での運転には許容範囲内である。さらにゲイン・ノイズの検出器容量依存性も測定した。検出器容量として想定されるのは約15pFである。ゲインはシェーパー出力波形の結果で示したようにシミュレーションに対して約70％となっている。ノイズの結果は、検出器容量が15pFのもので、約1200e-となった。これはまだ要求値1000e-を満たしていない。ノイズの改善策としては、１つ目に評価基板の配線上の寄生容量の理解があげられる。これにより検出器容量を過小評価していると思われる。２つ目にシェーパー時定数やセンサーサイズ（ストリップ長）を変更することも検討する。

这项研究是贝尔二号实验中硅塌陷点位置探测器的升级计划，该实验是使用超高亮度加速器的基本粒子味物理实验，以期提高未来加速器的性能。目的是开发一种新型条带检测器。本次研究的目标是开发厚度小于 150 um、条带节距为 50 um 的传感器，以及噪声小于 1000 e-、信号时间宽度约为 60 ns 的读出 ASIC 。 2021财年，我们对读出ASIC原型进行了性能评估测试。首先，我们设计并开发了用于性能评估的测试板。此外，使用市售的FPGA评估板，我们开发了一个在测试板和PC之间进行中介的电路，以控制SNAP128并收集数据，并为此设计了固件。这样就可以使用 PC 测量读出 ASIC 的整形器输出波形、增益和噪声。测量结果证实，波形整形后的信号时间宽度约为60 ns，与仿真预测的大致相同。测量的时间宽度满足要求值。另一方面，可以确认与增益对应的波高约为模拟值的70%。这在检测器操作的允许范围内。我们还测量了增益和噪声对探测器容量的依赖性。预期检测器电容约为 15 pF。与仿真相比，增益约为 70%，如整形器输出波形结果所示。检测器电容为 15pF 时，噪声结果约为 1200e-。这仍然没有达到1000e-所要求的值。改善噪声的第一个措施是了解评估板布线上的寄生电容。这似乎低估了探测器的能力。其次，考虑改变整形器时间常数和传感器尺寸（带材长度）。