将来のコライダー実験にむけた高位置分解能・高放射線耐性をもつピクセル検出器の開発
| Project/Area Number |
18K13571
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 15020:Experimental studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
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| Research Institution | High Energy Accelerator Research Organization |
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Principal Investigator |
山田 美帆 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 素粒子原子核研究所, 研究員 (90714668)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2020-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2018)
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| Budget Amount *help |
¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2019: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Fiscal Year 2018: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
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| Keywords | SOI / ピクセル検出器 / 高位置分解能 / 高放射線耐性 / MOSFET / モノリシック型ピクセル検出器 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ピクセル内にアンプとアナログ信号を保持するためのメモリの他にヒットのタイムスタンプとそれらの制御に必要な比較器，メモリ切替用ラッチを搭載した試作チップ（SOFIST）のビーム試験を行った．多重散乱を抑えるために米国フェルミ研究所にて120GeV陽子ビームを用いた．現在，データ解析中でありSOFIST上のヒットの位置とタイムスタンプの検出に成功している．現地においてトラック再構成のためのテレスコープに不具合が生じ，テレスコープ上のヒット位置検出効率が非常に低い状態にある．ペデスタルやノイズが時間的に変動しており信号とバックグラウンドの弁別アルゴリズムを検討している．
また，放射線損傷回復機能のための電極を搭載したピクセルセンサーを試作した．当初はピクセルごとに高電圧印加のための電極を設置する予定であったが，テストチップにより別途特別な電極を設けずとも，電源配線と裏面センサー電極を利用することにより放射線損傷が回復し得ることを発見した．信号処理回路内のMOSFETのソースもしくはドレインのほとんどは電源またはグランドに接続されている．したがって，これら電源配線を0Vに固定することによりMOSFET自身を電極として酸化膜層上部を0Vに固定できる．センサー裏面は全体がアルミ電極となっているため酸化膜層下部はセンサー部を電極とすることにより高電圧印加が可能となり，トンネル現象を利用した正電荷除去が可能となった．
また，複数種類のMOSFETが搭載されているテストチップに対して1MGyまで4点ガンマ線照射を行った．照射によりドレイン電流特性が負方向へシフトしていることが観測された．現在，照射量に対するシフト量の定量化を検討している．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
放射線照射後の回路動作シミュレーションのためのSPICEパラメータ見積もりがほとんど実施できていない．照射を行ったサンプルはBody-floatタイプのみであり，アナログ回路でよく使用されてるSouce-tieとBody-tieタイプの照射を実施できていない．MOSFETのプロセスパラメータが変更されたため，過去に試作，測定したMOSFETと特に放射線照射後の特性が大幅に変わっている．したがって，新プロセスパラメータによって作製されたMOSFETのサンプルをまず入手する必要があった．
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| Strategy for Future Research Activity |
位置分解能評価のためにテレスコープのヒット位置を効率的に検出するためのアルゴリズムを検討する．ペデスタルやノイズの時間的変動が目立つが，まず変動の範囲を切り分ける．フレーム全体で変動していればコモンモードノイズとして減算可能であり，ADCチャンネル毎に個性が見られればこちらもチャンネル毎に変動を見積もり減算可能である．これらはペデスタル分布上ではオフセットとして寄与してるだけであるので，減算は容易である．さらに小さい範囲では行，列，ピクセルごとであり，同様に系統的な時間的変位があればオフセットとして取り除くことが可能でありS/N向上が見込まれる．
放射線損傷回復機能のための電極を搭載したピクセルセンサーの納品は6月頃の予定である．納品され次第，放射線照射を行い，放射線照射前後，回復前後で性能評価を行う．イメージの撮像の他にアンプのゲイン等，回路性能の定量的評価も行う．
また，新プロセスパラメータによって作製されたMOSFETサンプルの追加照射試験を行う．特にSource-tie，Body-tieのSPICEパラメータ見積もりのためのデータ取得を行う．
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Report
(1 results)
Research Products
(8 results)
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[Journal Article] Development of a monolithic pixel sensor based on SOI technology for the ILC vertex detector2019
Author(s)
Shun Ono, Miho Yamada, Manabu Togawa, Yasuo Arai, Toru Tsuboyama, Ikuo Kurachi, Kazuhiko Hara, Yoichi Ikegami, Taohan Li, Akimasa Ishikawa
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Journal Title
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment
Volume: 924
Pages: 431-435
DOI
Related Report
Peer Reviewed
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[Journal Article] A Monolithic Pixel Sensor with Fine Space-Time Resolution Based on Silicon-on-Insulator Technology for the ILC Vertex Detector2018
Author(s)
Shun Ono, Miho Yamada, Yasuo Arai, Toru Tsuboyama, Manabu Togawa, Teppei Mori, Ikuo Kurachi, Kazuhiko Hara, Yoichi Ikegami, Daisuke Sekigawa, Shun Endo, Akimasa Ishikawa
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Journal Title
Springer
Volume: 213
Pages: 370-374
DOI
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