[論文レビュー] MuPix and ATLASPix -- Architectures and Results

A. Schöning, J. K. Anders+30 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2020

Particle Detector Development and Performance参考文献 11被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、Mu3e実験用のMuPixおよびHigh-Luminosity LHC用のATLASPixという、完全モノリシック高電圧CMOSアクティブピクセルセンサ（HV-MAPS）の設計、特性評価、性能評価を提示している。本研究では、98%を超える高い効率、低ノイズ、4 ns未満の時間分解能、2×10¹⁵ nₑq/cm²までの放射線耐性を実証した。ATLASPix3は、現在までに製造された最大のHV-MAPSセンサである。

ABSTRACT

High Voltage Monolithic Active Pixel Sensors (HV-MAPS) are based on a commercial High Voltage CMOS process and collect charge by drift inside a reversely biased diode. HV-MAPS represent a promising technology for future pixel tracking detectors. Two recent developments are presented. The MuPix has a continuous readout and is being developed for the Mu3e experiment whereas the ATLASPix is being developed for LHC applications with a triggered readout. Both variants have a fully monolithic design including state machines, clock circuitries and serial drivers. Several prototypes and design variants were characterised in the lab and in testbeam campaigns to measure efficiencies, noise, time resolution and radiation tolerance. Results from recent MuPix and ATLASPix prototypes are presented and prospects for future improvements are discussed.

研究の動機と目的

• 将来の粒子物理学実験に向け、空間分解能および時間分解能を向上させた完全モノリシック高電圧CMOSアクティブピクセルセンサ（HV-MAPS）の開発。
• ハイブリッドピクセルデバイスの制限を克服するため、ワイヤーベンディング接続を排除し、センサと読み出し回路をモノリシックに統合。
• プロトンおよび中性子線照射による放射線耐性と性能安定性の評価を、2×10¹⁵ nₑq/cm²までのフルエンスにまで拡大。
• Mu3e用に連続読み出しを実現するMuPix、ATLAS用にトリガー動作を実現するATLASPixの両方の読み出しアーキテクチャを可能に。
• 高レート衝突型加速器実験の外層ピクセル層に適したスケーラブルで放射線に強いソリューションとしてのHV-MAPSの実現可能性を示す。

提案手法

• AMS AH18およびTSI H18の商用高電圧CMOSプロセスを用いたHV-MAPSの設計およびプロダクション。ピクセル電子回路用にディープnウェルを統合。
• MuPix8（ソースフォロワおよび電流ドライバ型）で連続読み出しを実装。ATLASPix1_Simpleではピクセル内にコンパレータ、周辺回路に論理回路を配置したトリガー読み出しを実装。
• 電荷測定にタイムオーバーサム（ToT）を採用。タイムウォーク補正により、3.7 ns未満の時間分解能を達成。
• 閾値キャリブレーションのためピクセル内に3ビットチューン-DACを設け、閾値分散を9.5 mV（約50 e⁻）まで低減。
• 中性子線（最大2×10¹⁵ nₑq/cm²）およびプロトン線（最大5×10¹⁴ nₑq/cm²）による照射後、照射後テストを実施。
• テストビームキャンペーンおよびラボ内特性評価により、複数のプロトタイプで効率、ノイズ、時間分解能、放射線耐性を測定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCおよびMu3e環境に特有の高フルエンスの中性子線およびプロトン線にさらされた後でも、完全モノリシックHV-MAPSが高検出効率と低ノイズを維持できるか？
• RQ2 オンチップでのタイムウォーク補正およびタイムオーバーサム測定を用いた場合、HV-MAPSの達成可能な時間分解能はどの程度か？
• RQ3 ピクセルセル内にコンパレータ論理を統合したATLASPixと、信号増幅および伝送を実行するMuPixの両者を比較した場合、ノイズおよび性能にどのような差が生じるか？
• RQ4 放射線耐性設計技術およびディープpウェル分離を用いることで、総イオン化線量および格子欠陥損傷に対するセンサ機能がどの程度保持されるか？
• RQ5 大面積HV-MAPS（例：ATLASPix3、1.9×2.1 cm²）が、将来のトラッカー系において性能とスケーラビリティを維持できるか？

主な発見

• MuPix8およびATLASPix1_Simpleプロトタイプは、中性子線照射後も80–85 Vのバイアス電圧で98%以上の検出効率を達成した。
• MuPix8およびATLASPix1_Simpleの時間分解能は約6 nsであったが、タイムウォーク補正を施したチップ内分解能は約3.7 nsにまで向上した。
• ピクセル内に3ビットチューン-DACを設けたことで、閾値分散が9.5 mV（約50電子）まで低減され、安定した低閾値動作が可能になった。
• 照射に伴いノイズレベルは上昇したが、効果的なノイズピクセルマスクにより、40 Hzの平均ノイズ状態下で1ピクセルあたり10⁻⁶未満のノイズ率を達成した。
• ATLASPix3（1.9×2.1 cm²）は、現在までに製造された最大のHV-MAPSセンサであり、2019年8月に正常に出荷された。性能はATLASPix1と同等またはそれを上回ると予想される。
• MuPix10は、クロストーク抑制の向上および電圧レギュレータの追加を図った新プロトタイプであり、2020年3月に納品予定。Mu3eピクセルトラッカーと完全に互換性を持つ。