[論文レビュー] M.i.p. detection performances of a 100 us read-out CMOS pixel sensor with digitised outputs

M. Winter, J. Baudot+15 more|ArXiv.org|Feb 16, 2009

Particle Detector Development and Performance被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、100 µsの読み出し時間とデジタル出力を備えたMIMOSA-22 CMOSピクセルセンサを提示しており、10⁻⁴未満の誤検出率で99.5%を超える検出効率、4 µm未満の空間分解能を達成した。センサは1.5 kGyの高線量放射線に耐える能力を有し、ノイズ増加は30%にとどまり、これは将来のILCバーテックス検出器およびEUDETビーム望遠鏡への応用に向けたアーキテクチャの妥当性を裏付けている。

ABSTRACT

Swift, high resolution CMOS pixel sensors are being developed for the ILC vertex detector, aiming to allow approaching the interaction point very closely. A major issue is the time resolution of the sensors needed to deal with the high occupancy generated by the beam related background. A 128x576 pixel sensor providing digitised outputs at a read-out time of 92.5 us, was fabricated in 2008 within the EU project EUDET, and tested with charged particles at the CERN-SPS. Its prominent performances in terms of noise, detection efficiency versus fake hit rate, spatial resolution and radiation tolerance are overviewed. They validate the sensor architecture.

研究の動機と目的

• 高速で放射線耐性を持つCMOSピクセルセンサの開発を目的とし、高レートのILCバーテックス検出器に適応する。
• 100 µs未満の読み出し時間で高い検出効率と低ノイズを維持することを目的とする。
• 高データレート環境下で効果的なデータ圧縮を実現するデジタイズド出力とゼロサプレッション論理を統合したピクセルアーキテクチャの検証。
• ILCビームストラールング条件を模擬した電離放射線下での性能評価。
• EUDETビーム望遠鏡への統合および将来のILC検出器レイヤーへの応用を可能とする。

提案手法

• 2008年EUDET FP6プロジェクトを用いて、ピッチ18.4 µm、128×576ピクセルのCMOSセンサをプロセスした。
• ±4%のしきい値分散を持つディスクリミネータと、データレート低減を目的としたゼロサプレッション論理（SUZE-01）を統合した。
• ヒット検出のための3段階パイプラインを採用：ストリング符号化、バンクマージング、96 kbitメモリバッファリングとLVDS出力（160 MHz）。
• CERN-SPSで120 GeVのπ⁻ビームと⁵⁵Fe源を用いて、信号対ノイズ比と空間分解能を評価した。
• 10 keVのX線を用いて1.5 kGyの電離放射線を照射し、放射線耐性とノイズ増加を評価した。
• さまざまなディスクリミネータしきい値における検出効率、誤検出率、空間分解能、ノイズを測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 100 µsの読み出し時間を持つCMOSピクセルセンサが、10⁻⁴未満の誤検出率で99.5%を超える検出効率を維持できるか？
• RQ2 センサの空間分解能はどの程度で、ILCインナーレイヤーの3 µm要件を満たせるか？
• RQ3 電離放射線（最大1.5 kGy）がセンサのノイズおよび検出性能に与える影響は？
• RQ4 統合されたゼロサプレッション論理（SUZE-01）は、100 MHzで障害なく動作可能か？
• RQ5 ビーム条件下で、センサの全感受領域にわたりアーキテクチャが一貫性を保ち、安定しているか？

主な発見

• 誤検出率10⁻⁴未満で99.5%を超える検出効率を達成し、さまざまなピクセル設計において信号対ノイズ比は17～21（最頻値）を示した。
• ポイント単位の空間分解能は4 µm未満で測定され、ILCインナーレイヤーの3 µm要件に近づいた。
• 1.5 kGyの電離放射線被曝後も、誤検出率10⁻⁴未満で99.5%を超える検出効率を維持したが、ノイズは約30%増加した。
• 増幅回路部の影響によりノイズは約30%増加したが、放射線下でもセンサは機能的かつ安定した状態を維持した。
• ゼロサプレッション論理（SUZE-01）は115 MHzまで障害なく動作し、高速データ処理に向けた設計の妥当性が裏付けられた。
• MIMOSA-22アーキテクチャは正常に検証され、EUDETビーム望遠鏡用の最終的なMIMOSA-26センサへの統合に成功した。