[論文レビュー] Measurements and simulations of MAPS (Monolithic Active Pixel Sensors) response to charged particles - a study towards a vertex detector at the ILC

L. Maczewski|arXiv (Cornell University)|May 20, 2010

Particle Detector Development and Performance参考文献 24被引用数 6

ひとこと要約

本学位論文は、国際線形衝突器（ILC）のバーテックス・デティクタに用いられるモノリシック・アクティブ・ピクセル・センサ（MAPS）MIMOSA-5およびMIMOSA-18の性能を、ビームテストおよびシミュレーションにより、荷電粒子への応答として評価している。10–17 μmピクセルピッチのMAPSは、高精度なクラスタ形状および方位の再構築を可能にし、ビームストラールング背景と物理的トラックを区別する上で極めて重要であることが示された。また、迅速かつ正確な信号シミュレーションのための電荷拡산モデルの妥当性も検証された。

ABSTRACT

The International Linear Collider (ILC) is a project of an electron-positron (e+e-) linear collider with the centre-of-mass energy of 200-500 GeV. Monolithic Active Pixel Sensors (MAPS) are one of the proposed silicon pixel detector concepts for the ILC vertex detector (VTX). Basic characteristics of two MAPS pixel matrices MIMOSA-5 (17 $μ$m pixel pitch) and MIMOSA-18 (10 $μ$m pixel pitch) are studied and compared (pedestals, noises, calibration of the ADC-to-electron conversion gain, detector efficiency and charge collection properties). The e+e- collisions at the ILC will be accompanied by intense beamsstrahlung background of electrons and positrons hitting inner planes of the vertex detector. Tracks of this origin leave elongated clusters contrary to those of secondary hadrons. Cluster characteristics and orientation with respect to the pixels netting are studied for perpendicular and inclined tracks. Elongation and precision of determining the cluster orientation as a function of the angle of incidence were measured. A simple model of signal formation (based on charge diffusion) is proposed and tested using the collected data.

研究の動機と目的

• ILCバーテックス・デティクタに適したMIMOSA-5およびMIMOSA-18 MAPSの性能を、強いビームストラールング背景下での使用を想定して評価すること。
• ピクセルのピア・レベルでの基本的デティクタ特性、すなわちピア・レベル、ノイズ、ADCから電子へのゲイン、電荷収集効率、空間分解能を特徴づけること。
• 荷電粒子の応答をシミュレートするためのシンプルな電荷拡散モデルの開発および検証を行うこと。
• クラスタの伸び方および方位がトラックの入射角に依存する関係を調査し、背景分離に活用できることを示すこと。
• 10 μmおよび17 μmピクセルピッチの性能を比較することで、低ノイズかつ高分解能のバーテックス・デティクタ設計を支援すること。

提案手法

• 120 GeV/cの電子および55Fe X線源を用いて、DESYおよびDAFNE施設でビームテストを実施し、デティクタの応答を測定した。
• 電子的ノイズを低減し、信号対ノイズ比を向上させるために、相関二重サンプリング（CDS）を適用した。
• ピクセルマトリクスにおけるクラスタ再構築および位置推定に、ηアルゴリズムを用いた。
• 減衰長λを主要パラメータとする電荷拡散に基づく信号形成モデルを構築した。
• 測定データと比較するため、モンテカルロシミュレーションを実施し、予測されたクラスタ形状、電荷共有、多重度を検証した。
• 55Fe X線スペクトルを用いてADC出力をキャリブレーションし、ピクセル間でのピア・レベルおよびノイズ分布を解析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MIMOSA-5およびMIMOSA-18センサは、ILCビーム環境下でも荷電粒子トラックを信頼性高く検出・再構築できるか？
• RQ2 クラスタの伸び方および方位はトラックの入射角にどのように依存するか？ また、この性質はビームストラールング由来の電子-陽電子対とハドロン的トラックを区別するのに有効か？
• RQ3 シンプルな電荷拡散モデルは、クラスタ形状および電荷共有を含めたMAPSの信号形成をどれほど正確に予測できるか？
• RQ4 ピクセルピッチ（10 μm 対 17 μm）の違いが空間分解能およびクラスタ再構築の精度に与える影響は何か？
• RQ5 ノイズ、信号対ノイズ比、検出効率はMIMOSA-5とMIMOSA-18でどのように異なり、ILCバーテックス・デティクタ設計にどのような示唆をもたらすか？

主な発見

• MIMOSA-18はMIMOSA-5に比べて顕著に低いノイズおよび高い信号対ノイズ比を示し、10 μmピクセルピッチは空間分解能およびクラスタ形状再構築の観点で優れた性能を発揮した。
• クラスタの伸び方および方位は、トラックの入射角に応じて高精度に測定可能であり、MIMOSA-18はより小さなピクセルサイズのおかげで、より高い角度分解能を示した。
• 単一の減衰長λを用いた電荷拡散モデルは、測定されたクラスタ形状、多重度、電荷共有のすべてに良好なフィットを示し、フルモンテカルロシミュレーションへの応用が妥当であることが裏付けられた。
• 両センサのトラック検出効率は95%以上に達しており、残差分布からピクセル未満の位置分解能が示唆された。
• モデルはクラスタ多重度および電荷分布を高い精度で予測したが、わずかな不一致が観察されたことから、パラメータ化の改良の余地が示唆された。
• 本研究は、クラスタ形状解析が、バーテックス・デティクタにおいてビームストラールング由来の電子-陽電子対と二次的ハドロン的トラックを効果的に区別できることを確認した。