[論文レビュー] Recent results of Micromegas sDHCAL with a new readout chip

C. Adloff, J. Blaha+14 more|arXiv (Cornell University)|Feb 3, 2012

Catalytic Processes in Materials Science参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、将来の線形衝突機における粒子流量コロリメトリーのための新しい低ノイズASIC（MICROROC）を搭載した1 m²のMicromegas sDHCALプロトタイプを提示する。検出器は高いMIP効率（95％以上）と安定したトリガーなし動作を達成し、2ビットの半デジタル読み出しとアナログ信号再構成により詳細なシャワー分解能を実現し、高粒度のハドロンコロリメトリーに向けた技術の妥当性を検証した。

ABSTRACT

Calorimetry at future linear colliders could be based on a particle flow approach where granularity is the key to high jet energy resolution. Among different technologies, Micromegas chambers with 1 cm2 pad segmentation are studied for the active medium of a hadronic calorimeter. A chamber of 1 m2 with 9216 channels read out by a low noise front-end ASIC called MICROROC has recently been constructed and tested. Chamber design, ASIC circuitry and preliminary test beam results are reported.

研究の動機と目的

• 将来の線形衝突機向けに、高粒度かつ大面積の気体型ハドロンコロリメーターをMicromegas技術を用いて開発すること。
• 粒子流量解析に向けたハドロンコロリメーターにおける高い空間分解能およびエネルギー分解能を達成する課題に対処すること。
• 1 cm²分割パッドと組み合わせた低ノイズで高チャネル数のASIC（MICROROC）を統合し、半デジタル読み出しと正確な信号分離を可能にすること。
• テストビームを用いてプロトタイプの性能を検証し、MIP効率、シャワーの均一性、マルチパーティクル分解能を評価すること。
• 死時間を最小限に抑えた安定したトリガーなし動作と、ピラーとしきい値モニタリングに役立つアナログ信号再構成の実現可能性を示すこと。

提案手法

• 9216個の読み出しパッド（96×96）と1アセットメントセンサーユニット（ASU）あたり24個のMICROROC ASICを搭載した1 m²のMicromegasチャネルをボトムプロセスで製作した。
• 64チャネルの低ノイズフロントエンドチップであるMICROROC ASICを統合し、組み込みダイオード保護、電荷プリアンプリケーション、可変ゲインおよび整形時間の2つのシャープャーを備えた。
• 1 fC、1 MIP、5 MIPの3つのしきい値を用いた半デジタル読み出し方式を実装し、1 cm²セル内での単一粒子とシャワーの区別を可能にした。
• ノイズと放電率が無視できるほど低いことを確認し、データ読み出しはDIFおよびインターディファイブボードを介してクロック、電源、設定を制御することで、トリガーなし動作を実現した。
• DIFボードに搭載された12ビットADCを用いてアナログ信号読み出しを実施し、ピラーとしきい値キャリブレーションに必要なフルシャープ信号を取得した。
• 鉄吸収体を通したミューオンおよび150 GeV/cのパイオンドのテストビーム測定を実施し、MIP効率、シャワーマルチプレキシティ、応答の均一性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1 cm²分割と新しいASICを備えた大面積のMicromegasチャネルは、粒子流量コロリメトリーに適した高いMIP検出効率と低ノイズを達成できるか？
• RQ2 3しきい値（1 fC、1 MIP、5 MIP）を用いた半デジタル2ビット読み出し方式は、高マルチプレキシティ環境下でのマルチパーティクルシャワーの分解能とエネルギー分解能をどのように向上させるか？
• RQ3 メッシュ電圧を高めた状態でも、ASU境界付近や高電圧下での応答の均一性と効率はどの程度維持されるか？
• RQ4 死時間を最小限に抑えた安定したトリガーなし動作が達成可能か。また、アナログ読み出しはしきい値とピラーのモニタリングにどのように寄与するか？
• RQ5 プロトタイプの測定応答は、モンテカルロシミュレーションと比較して、ヒットマルチプレキシティとシャワープロファイルの両面でどの程度一致するか？

主な発見

• 365 Vのメッシュ電圧下でMIP効率が95％に達し、しきい値を1 fCから2 fCに引き上げた際、ノイズレートが3桁低下した。
• 60°の入射角でもパッドマルチプレキシティは1.5未満に保たれ、広い角度範囲での優れた性能を示した。
• 10,000件のパイオンドイベントの2次元画像には、非シャワーパイオンド由来の輪状構造とシャワー成分が明確に観測され、応答の均一性が確認された。
• 375 Vのメッシュ電圧（97％MIP効率）下で、1セルあたり最大300ヒットに達し、ハドロンシャワーにおける高マルチプレキシティ分解能を示した。
• 3しきい値による半デジタル読み出しでは、各しきい値でのヒット分布が一貫しており、正確なしきい値制御と効果的な粒子分離が確認された。
• 365 Vでのトリガーなし動作は安定しており、死時間を伴わず完全なデータ取得が達成された。また、アナログ読み出しによりランダウ分布に従う信号と測定可能なピラーピークが正常に取得された。