[論文レビュー] Overview of Studies on the SPIROC Chip Characterisation

R. Fabbri, B. Lutz+1 more|ArXiv.org|Nov 8, 2009

Particle Detector Development and Performance参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、国際線形加速器のアナログハドロンカルオリメータにおけるSiPM信号の読み出しを目的として開発された36チャネル・バイゲイン型フロントエンドASICであるSPIROC 1Bの包括的特性評価を提示する。本チップは、半MIP閾値で100%のトリガ効率を達成でき、時間ずれが3 ns未塔、ジッターが1 ns未塔であることを実証した。同時に、ノイズ寄与要因やトラックアンドホールドスイッチに起因する信号ピーク時間の歪みといった非理想挙動も同定した。

ABSTRACT

This note reports the results of extensive measurements of the SPIROC ASIC charaterisation. This chip is forseen to be used in the next generation of the Analogue Hadronic Calorimeter (AHCAL) prototype for the International Linear Collider.

研究の動機と目的

• 実際のテストビーム条件下におけるSPIROC 1B ASICがSiPM信号をどのように処理できるかを評価すること。
• ILCにおける高精度カルオリメトリー用途に適した、チップのダイナミックレンジ、ノイズ、線形性を評価すること。
• 信号ピーク時間の歪みやクロストーク効果といった非理想挙動を特定・定量すること。
• 物理データ取得に適した低時間ずれ・低ジッターの自動トリガ動作の実現可能性を検証すること。
• ピエドストレベルおよびHV設定におけるチャネル間非均一性を補正するためのキャリブレーションを行うこと。

提案手法

• パルスジェネレータ、結合ネットワーク（100 pFコンデンサと50 Ω抵抗）を用いて、DESYで系統的な電気的特性評価を実施。SPIROCの入力チャネルに信号を注入。
• オシロスコープ（300 MHz、2.5 GS/s）および外部ADC（CAEN V785N）をVMEクレート経由でLinuxベースのデータ取得システムに接続し、ノイズ、ピエドスト一様性、信号応答を測定。
• Windows上のLabWindows/CVIインターフェースを用いてUSB経由でチップを制御し、シェルスクリプトを用いた自動スキャンを実施。
• ノイズ測定時の信号忠実度を向上させるために、カスタムバッファアンプを採用。
• 整形時間（25–175 ns）、フィードバックコンデンサ（100–400 fF）、ゲイン設定（3–100 mV/pC）を変更した条件で測定を実施。
• キャリブレート済みDAC閾値および光電子相当信号レベルを用いて、トリガ効率、時間ずれ、ジッター、ピエドスト分散を分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SPIROC 1B ASICは、現実的なSiPM信号条件下で、半MIP閾値においても100%のトリガ効率を達成できるか？
• RQ2 トラックアンドホールドスイッチは、ASIC全体の電子的ノイズにどの程度寄与しているか？
• RQ3 注入電荷量に応じて信号ピーク時間はどのように変化するか？その非線形性の原因は何か？
• RQ4 チャネル間ピエドストおよびHV設定の非均一性はどの程度で、補正可能か？
• RQ5 フィードバックコンデンサおよびゲイン設定の異なる条件下で、ASICのダイナミックレンジはどの程度か？

主な発見

• SPIROC 1B ASICは、半MIP閾値以上の信号に対して100%のトリガ効率を達成し、時間ずれは3 ns未塔、ジッターは1 ns未塔であった。
• 電子的ノイズは通常1 mV未塔であったが、トラックアンドホールドスイッチをオンにした際、約100%増加した。
• 注入電荷量が増加するにつれて信号ピーク時間が長くなったことから、トラックアンドホールドスイッチに非理想挙動が認められ、今後のASICバージョンでの補正が検討中である。
• 36チャネルにおけるピエドスト一様性は2 mVのスプレッドを示し、1–33 mips（40 pC）範囲でクロストーク効果は±0.5 mV以内であった。
• HV DACキャリブレーションにより、平均してチャネル間差異が100 mVであったが、最大で200 mVの偏差も認められた。しかしこの非線形性は体系的であり、補正可能であることが判明した。
• ハイゲインからローゲインパスへのカップリングは、ハイゲイン増幅設定に応じて最大10%の依存性を示しており、キャリブレーションまたは設計の見直しが必要であることが示された。