[論文レビュー] Recent status of FPCCD vertex detector R&D

Shunsuke Murai, A. Ishikawa+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 29, 2016

CCD and CMOS Imaging Sensors被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、国際線形衝突型加速器（ILC）用のファインピクセルCCD（FPCCD）バーテックス検出器の研究開発状況を報告し、中性子線放射線耐性、ガスコンプレッサーを用いた二相CO2冷却システム、ラッダー構造の機械的設計に焦点を当てる。1.78×10¹⁰ neq/cm²の中性子線（ILC運転19年分に相当）を照射したFPCCDプロトタイプでは、放射線誘発ダーク電流およびホットピクセルの割合がわずかに上昇したが、許容範囲内に保たれた。電荷転送非効率性（CTI）は中程度に上昇したが、許容範囲内に留まり、二相CO2冷却システムは-40 °Cから+15 °Cの範囲で安定した冷却を実証した。

ABSTRACT

The Fine Pixel CCD (FPCCD) is one of the candidate sensor technologies for the ILC vertex detector. It will be located near interaction point and require high radiation tolerance. It will thus be operated at -40 degree C to improve radiation tolerance. In this paper, we report on the status of neutron radiation tests, on a cooling system using two-phase CO2 with a gas compressor for circulation, and on the mechanical structure of the FPCCD ladders.

研究の動機と目的

• ILCの運転条件に相当する中性子線照射下におけるFPCCDセンサの放射線耐性を評価すること。
• -40 °Cで動作させるために、小型で効率的な冷却システムを開発・試験し、放射線耐性を向上させること。
• 二重面にFPCCDチップと読み出しASICを統合した、機械的に強固で低質量のラッダー構造を設計すること。
• ダーク電流、ホットピクセル、電荷転送非効率性（CTI）といった放射線誘発欠陥のアニーリング効果を評価すること。

提案手法

• 65 MeVの中性子ビーム（Li+p反応から生成）を用い、東北大学CYRICで中性子線照射を実施。照射時間2時間で中性子線全量は1.78×10¹⁰ neq/cm²であった。
• -30 °Cおよび-40 °Cで、5～60 秒の露光時間におけるダーク電荷と時間の線形近似を用いてダーク電流を測定。ピーク位置および平均値を両方用いた。
• ホットピクセルを、ダーク電荷がµ + 3σ（80%確率）を超えるピクセルとして定義し、時間経過に伴う割合の変化を追跡してアニーリング効果を評価。
• 5.9 keVのFe55X線源を用いて電荷転送非効率性（CTI）を定量化。2次元信号分布をf(x,y) = S(1−CTIh)x(1−CTIv)yにフィッティング。
• ガスコンプレッサーを用いたCO2循環方式の二相CO2冷却システムを開発。CO2の高潜熱（300 J/g）を活用し、室温近いCO2を循環させる。
• シリコン（Si）、カプロンFPC、CFRPを用いた二重面ラッダー構造を設計。熱応力とたわみを制御するため、真空補助接着を採用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 √s = 500 GeVのILC運転条件下で19年分に相当する中性子線全量照射下におけるFPCCDセンサの放射線耐性はいかほどか？
• RQ2 放射線誘発欠陥（ダーク電流、ホットピクセル、CTI）は時間経過とともにどのように変化するか。-40 °Cで測定可能なアニーリング効果はあるか？
• RQ3 ガスコンプレッサーを用いた二相CO2冷却システムは、外部クーラーを不要とし、最小限の断熱材で-40 °Cでの安定冷却を達成できるか？
• RQ4 二重面FPCCDチップとASICを統合する低質量で放射線耐性のあるラッダー構造を実現するための有効な機械的設計戦略は何か？

主な発見

• 中性子線照射後（1.78×10¹⁰ neq/cm²）、ダーク電流は上昇したが依然として低く、200 msのダーク電荷は信号電荷と比較して無視できる程度であった。
• ホットピクセルの割合は-40 °Cで2.76×10⁻⁵に達したが、2.8%のバックグラウンド占有率および1%未満の要件を大幅に下回り、時間経過によるアニーリング効果が確認された。
• 電荷転送非効率性（CTI）は水平方向で3.49×10⁻⁵、垂直方向で6.34×10⁻⁵に上昇したが、13,000回の転送で最大37%の信号損失にとどまり、ILCのバックグラウンド条件において許容範囲内とされた。
• CTIには顕著なアニーリングは観察されなかったが、上昇幅はILCのバックグラウンド条件において許容範囲内であった。
• ガスコンプレッサーを用いた二相CO2冷却システムは、ILCホールからの冷却水を用いて、-40 °Cから+15 °Cの範囲で安定した冷却を実証した。
• ラッダー開発は継続中であり、Si/CFRP統合における真空補助接着およびソフト接着剤による熱応力低減が、主な課題と特定された。