[論文レビュー] Development of ultra-light pixelated ladders for an ILC vertex detector

N. Chon-Sen, J. Baudot+15 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2010

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、ILCのILDバーテックス・ディテクタのための超軽量ピクセル化ラダーの開発を提示する。主なプロジェクトは3つである。PLUMEは、0.3%放射長未満の材料予算を満たす二面駆動ラダーの開発を目的とし、SERWIETEは、超薄膜ポリマー封止材に埋め込まれた単面・支持なしラダーで、0.15%未満の放射長を実現することを目的としている。AIDAは、実験的条件下でのアライメントと性能検証を可能にするテストインfraストラクチャである。主な貢献は、最小限の材料と高度なパッケージングを組み合わせたモノリシックアクティブピクセルセンサ（MAPS）の統合により、高精度バーテックストラッキングにおけるサブマイクロメートル空間分解能を実現することにある。

ABSTRACT

The development of ultra-light pixelated ladders is motivated by the requirements of the ILD vertex detector at ILC. This paper summarizes three projects related to system integration. The PLUME project tackles the issue of assembling double-sided ladders. The SERWIETE project deals with a more innovative concept and consists in making single-sided unsupported ladders embedded in an extra thin plastic enveloppe. AIDA, the last project, aims at building a framework reproducing the experimental running conditions where sets of ladders could be tested.

研究の動機と目的

• ILCのILDバーテックス・ディテクタにおいて、σ_IP ≤ 5 μm ⊕ 10 μm GeV / sin^(3/2)(θ) のインパクト・パラメータ分解能を達成すること。
• 1層あたりの材料予算を ≤0.16%放射長に最小限に抑えること。これは、マイクロメートルレベルの空間分解能を維持する上で極めて重要である。
• モノリシックアクティブピクセルセンサ（MAPS）を用いて、最小限の支持材で超軽量・低質量のラダーモジュールを構築すること。
• 二面トラッキングを可能にすることで、分解能、アライメント、浅角度トラック再構築の向上を図ること。
• 実際のILC環境下でのラダー性能とアライメントの検証を可能にするテストインfraストラクチャ（AIDA）の構築

提案手法

• PLUMEでは、50 μmに薄められた2×6枚のMIMOSA-26センサをカプロン金属フレックスケーブルにボンディングし、低密度シリコンカーバイドフォームで支持し、信号はワイヤーボンディングにより外部DAQボードに配線する。
• SERWIETEでは、IMECが開発した新規パッケージング技術を採用し、金属トレースおよびビアを内蔵した10–20 μmのポリイミドベースのポリマー膜にセンサを埋め込む。
• センサ系では、1/50のデューティ・サイクルでの電源パulsesを用いて平均消費電力を約100 mW/cm²に抑えることで、空冷による熱安定性を実現する。
• AIDAは、2基の大型面積テレシスコープ（LAT）ステーションと、3組の二面駆動PLUMEラダーを内蔵した可動式AIDボックスを備えたビームテストインfraストラクチャを提供する。
• AIDボックスにより、ラダーのペアの制御された平行移動および回転が可能となり、ミクロメートル分解能のアライメント研究が可能となる。
• ビームテスト以外の状態で、熱的・機械的および磁場の影響を評価し、空気冷却および電源サイクリングを含むILC環境下での安定性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 0.3%放射長未満の材料予算を満たす二面駆動ラダーを、マイクロメートル分解能を維持した状態で製作・試験することが可能か？
• RQ2 超薄膜ポリマー封止材による埋め込みを用いて、単面・支持なしラダーを実現し、0.15%未満の材料予算を達成できるか？
• RQ3 曲げに起因する機械的応力が、埋め込まれたMAPSセンサの電荷収集、信号対雑音比、長期的安定性に与える影響は何か？
• RQ4 空冷および電源パulsesが、高磁場環境下での熱的およびローレンツ力効果をどの程度軽減できるか？
• RQ5 スケーラブルでモジュラーなテストインfraストラクチャ（AIDA）は、ラダーのアライメントと性能検証を、ILCの実際の走行条件を正確に再現できるか？

主な発見

• PLUME 2009プロトタイプは、二面駆動ラダーの両面からのヒット相関により、空間分解能が20–30%向上（約1/√2の要因）を達成した。
• 18.4 μmピクセルピッチのMIMOSA-26センサは、空間分解能σ < 4 μm、ENC < 15電子を達成し、高精度トラッキングに適していることが実証された。
• SERWIETEプロジェクトは、10 μmピッチ（σ < 1 μm）のMIMOSA-18およびMIMOSA-26センサを、電気的接続用に内蔵されたビアを有する超薄膜ポリマー膜に埋め込む技術の実現可能性を成功裏に示した。
• 最初のSERWIETEプロトタイプ（1層の金属層、約50 μmのシリコン同等厚さ）は2010年末までに製造予定であり、2011年には2層金属層の第二プロトタイプが計画されている。
• AIDAインfraストラクチャは、ラダーのペアの制御されたマイクロメートル単位の平行移動および回転を可能にし、アライメント効果がバーテックス再構築に与える影響を体系的に研究できる。
• ビームテストの結果、二面駆動ラダーはインパクト・パラメータ分解能およびトラック再構築性能を顕著に向上させ、特に低角度トラックに対して顕著な改善が確認された。