[論文レビュー] A digital ECAL based on MAPS

J. Ballin, P. D. Dauncey+13 more|ArXiv.org|Jan 28, 2009

Particle Detector Development and Performance参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、国際線形加速器（ILC）のデジタル電磁エネルギー遮へい器（ECAL）用に、画素ベースの電荷カウントを用いてエネルギー分解能を向上させるモノリシックアクティブピクセルセンサ（MAPS）プロトタイプを提示する。センサはピクセル間ゲイン均一性が10%を達成し、位置に応じて20–50%の電荷収集を示し、実際の検出器効果を組み込んだGeant4シミュレーションで検証された結果、理想状態に比べてエネルギー分解能の劣化が35%に抑えられ、アナログECALよりも優れている。

ABSTRACT

Progress is reported on the development and testing of Monolithic Active Pixel Sensors (MAPS) for a Si-W ECAL for the ILC. Using laser and source setups, a first version of the sensor has been characterised through measurements of the absolute gain calibration, noise and pedestal. The pixel-to-pixel gain spread is 10%. Charge diffusion has been measured and found to be compatible with simulation results. The charge collected by a single pixel varies from 50% to 20% depending on where it is generated. After adding detector effects to the Geant4 simulation of an ILC-like ECAL, using the measured parameters, the energy resolution is found to be 35% higher than the ideal resolution, but is still lower than the resolution obtained for an equivalent analogue ECAL.

研究の動機と目的

• アナログECALよりも優れたエネルギー分解能を実現するため、モノリシックアクティブピクセルセンサ（MAPS）を用いたデジタルECALの開発を目的とする。
• プロトタイプMAPSセンサのピクセルゲイン均一性、ノイズ、ピエデスタル幅、および電荷共有の特性を評価することを目的とする。
• レーザーおよび55Fe放射源測定を用いて、電荷拡산および収集のシミュレーションモデルの妥当性を検証することを目的とする。
• ノイズ、デッドエリア、および電荷共有などのデジタル化効果が、現実的なILCに類似したECALにおけるエネルギー分解能に与える影響を評価することを目的とする。
• デジタルECALが最適化されたMIPカウントアルゴリズムを用いることで、理想分解能にどれほど近づけるかを特定することを目的とする。

提案手法

• 0.18 μmプロセスを用い、電荷収集を向上させるためにINMAPSディープpウェルインプラントを施した、1×1 cm²のMAPSセンサを50×50 μm²ピクセルでプロトタイピングした。
• 各ピクセルには4つのダイオード、電荷プリアンプ、CR-RCシャーパー、および個別に設定可能なしきい値を備えた2段階コンパレータを備え、バイナリ読み出しを実現した。
• 電荷共有、ゲイン、ノイズ、ピエデスタルの測定には、1064 nmのレーザースキャン（2 μmスポット）および55Fe放射源照射を用いた。
• 信号有無の両状態でしきい値スキャンを実施し、ノイズおよびピエデスタル分布を抽出することで、ピクセル応答のキャリブレーションとトリミングを可能にした。
• Geant4シミュレーションは、測定済みパラメータ（ノイズ：120 eV、電荷共有、検出器ジオメトリ）を組み込んで、エネルギー分解能劣化のモデル化を実施した。
• ヒットの重なりを低減するため、最近傍ピクセルクラスタリングに基づくMIPファイナーアルゴリズムを実装し、デジタル読み出しにおけるMIPカウントの最適化を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MAPSを用いたデジタルECALは、アナログECALよりも理想状態に近いエネルギー分解能を達成できるか？
• RQ2 電荷共有および電荷収集の空間的非均一性は、デジタルECALにおけるエネルギー分解能にどのように影響を与えるか？
• RQ3 ノイズ、デッドエリア、およびセンサーエッジ効果は、デジタルECALのエネルギー分解能をどの程度劣化させるか？
• RQ4 高流量のILC環境下で、重なったヒットによる混乱を緩和するために、MIPファイナーアルゴリズムはどの程度有効か？
• RQ5 実際のセンサ測定値でキャリブレーションされたGeant4シミュレーションは、エネルギー分解能劣化を正確に予測できるか？

主な発見

• ピクセル間ゲインばらつきは10%で測定され、センサアレイ全体で良好な均一性を示した。
• 平均ノイズは60 e⁻（6 TU）であり、RMSは20 e⁻であった。個別ピクセルのトリミングにより、ピエデスタル幅はノイズレベルまで低下した。
• 電荷収集率は、入射位置に応じて20%から50%の範囲で変動し、ピクセルのコーナー部で最小値を示した。
• INMAPSディープpウェルインプラントにより、電荷収集が2〜4倍向上し、信号の忠実度が顕著に向上した。
• 実際の検出器効果をGeant4シミュレーションに組み込んだ結果、理想MIPカウントに比べてエネルギー分解能が35%劣化したが、同等のアナログECALよりも優れた性能を示した。
• MIPファイナーアルゴリズムの適用により分解能劣化は軽減されたが、理想性能の完全回復までは至らず、アルゴリズム最適化の前段階としてビームテストによる検証の必要性が示された。