2019 Fiscal Year Annual Research Report
Realisation of 4D Semiconductor Tracker with Fine Spatial and Time Resolutions
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19H04393
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
原 和彦 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (20218613)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中村 浩二 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, 助教 (00554479)
海野 義信 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, その他部局等, 名誉教授 (40151956)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | LGAD / 4次元飛跡検出 / 半導体センサー / TCAD / 電極分割 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
時間分解能にも優れた高位置分解能センサーをLGAD技術で実現することで最終的に4次元飛跡検出器を創生することが目的である。将来の高輝度加速器実験の粒子数密度が高い環境下では、位置情報に加えた時間情報が高速で精密な飛跡再構成を行うために極めて有効になる。4次元検出器の実現のために(1)時間分解能簡易評価システム、（２）電極細分化の2点について研究開発をした。
（１）ビーム試験の結果から既に30psの時間分解能を得ていた。検出器開発をみすえてβ線源を用いた時間分解能の簡易評価システムを構築した。2枚のサンプルを通過するβ線に対して、信号を高速アンプで増幅しDRS4-FADC(5GHzサンプリング）で信号を取得し36psの結果を得た。ビーム試験に匹敵する結果である。また、バイアス電圧や作動温度などの条件を容易に変えられる点はビーム試験より優れている。高速アンプは4chと多チャンネルのものを試作した。この研究と並行して米国フェルミ研究所でのビーム試験も実施しシステム評価とともに学生の教育の機会とした。
（２）LGADの優れた時間分解性能を保ったまま電極を細分化することで高位置分解能を実現する。そのためTCADシミュレーションを用いてTRENCHおよびAC-LGADによるものを評価した。TRENCHは物理的な溝を掘ってピクセル境界とすることでLGAD増幅層は溝の近傍まで一様にできる。目標とする増幅度(10以上)を達成でき結果はVertex2019国際会議で発表した。AC-LGADは増幅層と読み出しアルミ電極をAC結合にするため電極設計が自由になる。十分な増幅には濃いドープが必要であるが、ドープ量を抑えて発生電荷が隣の電極に逃げるのを抑える調整が必要である。この研究はHSTD12国際会議で報告した。２つの設計を浜松ホトニクスと検討し、AC-LGADによるセンサーを試作した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
センサーの試作ができたことと簡易評価システムが構築できたことは高く評価できる。センサー性能の評価はこれからであるが次年度の研究のために重要なステップを踏めた。アンプの多チャンネル化はノイズのために十分な成果が得られなかったが改良点を見出すことができたのでこれも今後の発展が期待できる。２つのLGADセンサー設計（TRENCHおよびAC-LGAD)について国際学会で発表しプロシーディングにまとめたことも順調な進展である。
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| Strategy for Future Research Activity |
試作したLGADセンサーは増幅層の濃度、GNDの配置、アルミ電極サイズなどをパラメータとしていくつかのタイプを含んでいる。増幅度の一様性はマイクロメータに絞ったIRパルスレーザーをスキャンすることで評価し、どの設計が優れているかを試験する。増幅度が一様なものは簡易β線システムで時間評価を行う。また、多チャンネルアンプについては海外の研究者とも情報交換をしながら、またアンプ専門エンジニアとも相談しながら動作するものを作成する。LGADで有望なパラメータのセンサーを多チャンネルアンプとワイヤボンドして検出器システムにし、高エネルギービーム（FNAL)を用いた評価試験を行う。
一連の開発経緯はVERTEXなどの国際会議で報告する。
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