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シリコン Upgrade計画と日本の計画

海野（高エ研）

1 新学術領域研究会、2012/1/6-7、海野

LHC アップグレード計画

新学術領域研究会、2012/1/6-7、海野 2

Current assumption of LHC evolution

Pileup ~140 ev/crossing, ~250 fb-1/yr

LHC

HL-LHC

新学術領域研究期間


Current assumption of LHC evolution

Pileup ~140 ev/crossing, ~250 fb-1/yr

ATLAS Upgrade Construction

新学術領域研究 H23 (2011) | H27 (2015)

• ATLAS detector condition expected in Phase 2 – Instantaneous lum.: 5x1034 cm-2s-1

– Integrated lum.: 3000 fb-1 – Pileup: ~140 events/crossing

Particle fluences in ATLAS


• ATLAS detector to design for – Instantaneous lum.: 7x1034 cm-2s-1

– Integrated lum.: 6000 fb-1 (including safety factor 2 in dose rate) – Pileup: 200 events/crossing

Particle fluences in ATLAS

• IBL (LHC) – Insertable B-layer pixel – r = 3.3 cm

• Flunece ~3x1015 • at Int.L~300 fb-1

• PIXELs (HL-LHC) – Replacing current Pixel – Innermost: r=3.7 cm, ~2.2x1016 – Middle: r = 7.5 cm, ~6x1015 – Outer Pixels: r≥15.5 cm ~2x1015

• STRIPs (HL-LHC) – Replacing Strip and TRT – r = 30 cm, e.g.

• Fluence ~1x1015 – Neutrons:Charged ≥ 1


新内部飛跡測定器の性能評価 • ビーム交差当たりの高頻度トラック数

– 現TRTは使用不能 – 内部飛跡測定器はオールシリコン測定器（若しくは相当品） – 測定器検出部セグメンテーションも改良

• アップグレード測定器性能を評価中(アトラス） – 新測定器レイアウト(UTOPIA、Alternatives) – ベンチマーク物理： – High mass ttbar (from resonance → boosted jets – Z’ (high pT e and µ) – WH with H→bbar (boosted bb system) – All Higgs decay modes (including rare decays such as µ+µ- – WW/WZ/ZZ production (with anomalous couplings) – Higgs self couplings – SUSY benchmarks, exotica???


Tracker Layout - UTOPIA

• UTOPIA layout – Major activity of Simulation Group – Known deficiencies (cable routing, pixel layout, etc) – Performance issues


新規 inner tracker (UTOPIA-H version) 現 inner tracker

Alternative Layouts - Pixles

Conical

Alpine


新測定器エレメント - 4-chip Pixel Module

• Based on FE-I4 pixel chip • 2x2 makes one pixel module • Modules on alternating sides

4-chip dummy module


高度耐放射線n-in-pシリコン測定器 • p型基材・n+読み出し(n-in-p)方

式の長所 • 高度耐放射線性

– 電子を収集 • 現行の n-in-n ピクセルと同じ • 早いドリフトスピード・より少な

い放射線損傷でのトラップ – 読み出し側から空乏化

• 半空乏化でも十分な信号が収集可能

• コストダウン・取り扱い易さ – (マスクを使った)プロセスは片面

• n-in-nの両面プロセスより30-40% コストダウン

• より多くの企業・量産能力 – より容易な取り扱い・試験

• 裏面にはキズに敏感なパターンがない

• 新学術領域 – n-in-p シリコンPixel測定器開発

• p型基材（n-in-p）測定器

– 過去には使用されていなかった – 色々理由はあるが、最大の理由

は「必要性がなかった」からか（？）


n+

p- bulk

Al

SiO2

Guard Ring

Bias Ring

p-spray or p-stop

p+

e-

Un-depleted

PTLA

PolySi

Bias rail

Biasing Scheme

Isolation scheme

• n-in-p issues – Isolation of n+ pixels – HV protection at the diced

edge • Issues in planar pixel sensor

in general – HV operation capability

• Up to 1000 V, e.g., to cope with radiation damage in bulk

– Material reduction • Thin sensor

– Inefficient area due to “bias” structure

• required for testing all pixels, with I-V performance, e.g.

– Bump bonding • limited number of

vendors


n-in-p pixel issues

SnAg Bumpbonding at HPK

• Latest achievement – FE-I4 single chip – 150 µm thickness both – ~0.28 Ω/bump

• 4-chip trials – with dummy sensor & chips – both 320 µm thick – Pb-free (SnAg) bumps


150 µm thick 4-chip module

FE-I4 DGﾁｪｰﾝ実装品抵抗値(はんだ/はんだ実装)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000ﾊﾞﾝﾌﾟ数

抵抗

値　

Ω

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

300

区間

(２列

)抵抗

値 Ω

0.28Ω/BumpUnit

FE-I4 single chip daisy-chain sample

Inte

gral

Res

istan

ce (Ω

) Resistance per 2-rows (Ω

)

Number of bumps

Charge Collection - Signal • Silicon thickness ~300 µm

– CC ~5000-7000 e at 1×1016 neq/cm2

• Then, “charge multiplication” effect… – Can this be also true for pixel?


Annealed 80 min at 60 C

500 V

Annealed 80 min at 60 C

900 V

90Sr β

90Sr β

Short strips

Long strips

Inner-most pixels 5×1016 neq/cm2

140 µm

300 µm

シリコン測定器開発研究計画 • シリコンストリップ測定器に開発した新技術を応用し、2x1016

でも稼動するn-in-p型シリコンピクセル測定器を開発する。 • 開発分野は大きく分けて4つ：

– (1)ピクセル素子構造 – (2) 基材厚150 µm薄型化ピクセルセンサーの技術確立 – (3) バンプボンディング技術確立 – (4)シリコンピクセル測定器モジュールの性能検証、後段のコンパクト

データ収集系開発。 • 性能評価

– 陽子線照射、原子炉中性子源による中性子照射、またγ線源によるγ線照射を繰り返し、放射線耐性の評価を行う。

– ビームテストにより最終性能評価をおこなう


ビームテスト、DAQ

• CERN/DESY testbeam – So far, 1-chip modules – with USBPix DAQ boards (Bonn-

Gettingen) – Or, RCE system (SLAC)


USBpix: 4チップモジュールなら、この4倍

ビームテスト、コンパクトDAQ (国内）

• コンパクトDAQ – 自前のデータ収集系 (＝機動性アップ）

• 例：12月のRNCPでのビームテスト – 池上、岸田、久保田、陣内、花垣、、、 – 1cm角ストリップセンサー、SEABAS DAQ board

• ただし、ピクセル用、また数µmの分解能で２次元マッピングするには – テレスコープを含め大幅な改善が必要


ATLAS Schedule (Tentative) Timeline LOI TDR (end

2014) Assuming installation in 2022

Phase2 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020

Strips and Outer- pixels

Requirements Specifications (Gross) Technology options

LHC shutdown

Radiation damage, Demonstrators, testbeams

Final specification Market survey Technology decision Final design review

No CERN beam or irradiation

Pre-production Radiation QA Production Readiness Review Production

Medium pixels

Final specification Market survey Technology decision Final design review Production

Inner pixel Final specification Market survey Technology decision Final design review Production


Irradiations, Testbeams, …

新学術領域研究計画 Timeline LOI TDR (end

2014) Assuming installation in 2022

Phase2 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020

Strips and Outer- pixels

Requirements Specifications (Gross) Technology options

LHC shutdown

Radiation damage, Demonstrators, testbeams

Final specification Market survey Technology decision Final design review

Pre-production Radiation QA Production Readiness Review Production

Medium pixels


Inner pixel

No CERN beam or irradiation



新学術領域期間

4チップセンサー 4チップモジュール放射線照射ビームテスト

2×1015

コンパクトDAQ 6×1015

4、２チップモジュール

2×1016

２チップモジュール

平成23－27年の測定器開発 • 次世代のアトラス検出器の飛跡検出器に使用可能なピクセル測定器のプロトタイ

プ開発を全年度を通して進める(注） • 2014年（平成26年末）のOuter pixel system、また2016年（平成28年）のMedium

pixel systemの各Final Design Reviewに必要な資料を準備 – 高耐放射線n-in-p型ピクセル測定器の完成

• 薄型化、エッジスリム化、非効率領域最小化、4-chipセンサー、、、 – 読み出し回路と一体化するバンプボンディングの完成

• SnAgソルダーバンプ、4-chipモジュールバンプボンディング、薄型センサー・チップボンディング、バンプレスボンディング、、、

– 放射線照射試験の完了 • 2×1016 neq/cm2 まで • 国内（CYRIC (70 MeV), RNCP (700 MeV), 原研(γ）)、 • 国外（Karlsruhe (26 MeV), Los Alamos (800 MeV), Ljubljana (n))

– ビームテスト等による性能評価 • 放射線損傷前後の性能確認 • Charge multiplication の確認／否定、非効率領域確認、、、 • 国内 (RNCP, J-PARC)、1回／年 • 国外（CERN, DESY)、2回／年 • 読み出しDAQ開発（SEABASボードを利用）

– ピクセル検出器の形状検討 • H→bbなどをテストケースとして、物理・測定器両面から最適化を検討する

• （注）「新学術領域」研究費による計画


Backup Slides


Tracker Layout - UTOPIA


Alternative Layouts – Long Barrel


Axial

Stereo

Radiation Hard Silicon Strip Sensors • n+-strip in p-type substrate (n-in-p)

– Collects electrons • like current n-in-n pixels • Faster signal, reduced charge trapping

– Depletes from the segmented side • Good signal even under-depleted

– Single-sided process • 30-40% cheaper than n-in-n • More foundries and available capacity world-

wide – Easier handling/testing

• due to lack of patterned back-side implant

• Collaboration of ATLAS with Hamamatsu Photonics (HPK) – 9.75x9.75 cm2 sensors (6 inch wafers) – 4 segments (2 axial, 2 stereo), 1280 strip

each, 74.5 mm pitch – FZ <100>, 320 µm thick material – Miniature sensors (1x1 cm2) for

irradiation studies

Miniatures

n+

p- bulk

Al

SiO2

Guard Ring

Bias Ring

p-spray or p-stop

p+

e-

Un-depleted

See Y. Unno, et. al., Nucl. Inst. Meth. A, Vol. 636 (2011) S24-S30 for details Prototype sensor to study axial

and stereo layouts 23 新学術領域研究会、2012/1/6-7、海野

Alternative Solution: Super-Module • Modular concept:

– Modules, and cooling, local structure, service bus, power interface are decoupled from the modules

• Least holes in tracking coverage – Possible overlapping in Z

• Rework – Possible up to the commissioning after integration

• Design includes carbon-carbon hybrid bridge – Minimizing the risk in damaging the sensor – Decoupling thermal paths of the ASICs and the sensor – Hybrid could be also glued as for stave modules if

required

“Prototype” Super-Module

Cable buses

DC-DC converters 24 新学術領域研究会、2012/1/6-7、海野

Strip System - Stave and Petal Solution

~ 1.2 meters Bus cable

Hybrids Coolant tube structure

Carbon honeycomb or foam

•Designed to reduce radiation length

Minimize material by shortening cooling path Glue module directly to a stave core with embedded pipes

•Requirements of large scale assembly considered from the beginning-

Simplify build as much as possible •All components independently testable prior to construction

•Design aims to be low cost Minimize specialist components

Petal Hybrid

Stave Module

No substrate or connectors

Carbon fiber facing

Peta

l

Readout ICs

Stave


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