測定器開発室Detector Technology Project office

(KEKDTP)Junji Haba

Department of Advanced Accelerator Technologies先端加速器推進部

先端加速器推進部web page

PFPF

Detector Technology Project (DTP)

JJ--PARCPARC

ATLASATLASBelleBelle

ILCILCIPN

SIP

NS

Pixe

l det

ecto

rPi

xel d

etec

tor

MPG

DM

PGD

New

pho

ton

dete

ctor

New

pho

ton

dete

ctor

Liqui

d TP

CLiq

uid

TPC

Cry

ogen

ic d

etec

tor

Cry

ogen

ic d

etec

tor DAQ

ASIC

Mechatronics

Cryogenics

DAQDAQ

ASICASIC

MechatronicsMechatronics

CryogenicsCryogenics

Material Sciencecommunity

Material ScienceMaterial Sciencecommunitycommunity

••Detector Technology is a basic strength Detector Technology is a basic strength for every research activity.for every research activity.••Horizontal activities among the projectsHorizontal activities among the projects••KEKDTP for Innovative Particle Detector is KEKDTP for Innovative Particle Detector is one of the keys to the future of KEK.one of the keys to the future of KEK.

Common Technology

Horizontal activities

IMSS

IMSS

開発室会議月例

開発プロジェクト

グランドレビュー

•プロジェクト改廃•予算•重点レビュー•セミナー•情報交換・広報

専任レビューチーム

•進行状況のチェック•方向性の助言

プロジェクトの考え方

• 最先端技術で世界発信。

• 異分野交流で大きな価値。

• あるべき技術の定着。

• R&Dアクティビティの結集。

公募による選定ではない

異分野交流で価値を生む

Hole diameter 70μmHole pitch 140μmThickness 50μmCu thickness 5μm

Electric field

Developed by F.Sauli (CERN) in 1997.NIMA 386(1997)531

GEM (Gas Electron Multiplier)Copper plated Polyimid film

PROJECT#1 MPGD and its application

• 2D imaging with time measurement for all pixels

TOF information=Neutron energy

GEM3-Cu

Ar-CO2 gas

2 mm

1 mm

1 mm

1 mm

Readout pad

ｎ

α

Application in the J-Parc neutron experiments

GEMによる硬X線検出器

Au-GEM3μm

2mm

2mm

Readout board X-Y strip0.8mm pitch 120+120

Multiplication

X-ray conversion layersEffective gas gain ~ 1

Gas:Ar-CO2(70-30)

Ground

100μmt GEM1mm1mm1mm1mm1mm

50μmt GEM

Drift planeAu 3μm

Iron Bars inside Concrete

Thickness of Concrete :10cmIrradiation Time : 100sec

9~10mm 6mm 15~17mm

Four types of Iron Barsbefore molding

Concrete sample with Iron Bars

10cm

コンクリート照射

• 厚さ20cmもの厚いコンクリートを用意し、その中身をみるこ

とができるか行った。

20cmのコンクリート

ゴミ箱（補強用）

10mm 4mm

2009.9

GEMによる医療画像診断

• PET（Positron Emission Computed Tomography）

• ガンマカメラ（シングルフォトン）

線源(例)：18F(110分 E=511keV)

電子・陽電子対消滅によって飛び出す二つの光子を捕まえることにより放射線源が内部で集まっている位置を知ることが

できる

線源（よく用いられるもの）：

99mTc(6時間 E=141keV)

人体から出るγ線のカメラへの入射位置とエネルギーを測定する。入射方向を判別するために、垂直に飛び込むものだけを測定できるように鉛などでできたコリメータを備え

る線源

γ線

ピンホールカメラ

• ピンホールからのそれぞれの位置により映し出される像の拡大・縮小が決まる（同じ距離の場合は等倍になる）

被写体（99mTc）

フィルム

（GEMチェンバー）

ピンホール

コーン型の穴が空いている

鉛板（5mm厚）

オンラインモニター＆phantom

• オンラインモニターを使って画像取得を行った

• 空間分解能を計測するために、phantomを製作し、

持ち込んだ

生態をモチーフしたもので、医療分野では検出器の空間分解能を測るために広く使わ

れている。

7mmΦ~2mmΦの計6種類

の穴が空いて、線源をその中に入れることでマルチソース

として扱う

7mmΦ

6mmΦ

5mmΦ 4mmΦ

3mmΦ

2mmΦ

ガンマカメラとの比較

GEM（60min）

3mmまで見

える

一つの線源に見える

判別不能

ファントムまでの距離：17cm

7mmΦ

6mmΦ

5mmΦ

4mmΦ

3mmΦ

2mmΦ

6mmまで見える

ガンマカメラ(10min)

ファントムまでの距離：10cm

偉いのはエレクトロニクス？

• ２次元測定 かつ 時間情報

• フロントエンドASICとバックエンドDAQ• どちらもKEK純正開発品

• ASIC FE２０XXシリーズ• 「あるべき技術の定着」型

• DAQ SiTCP+RTM• [世界発信」＋「異業種交流」

PROJECT#2 ASIC

京都大学μPICでも使用

長期運転・耐故障性・簡単開発・簡単運用問題

粒子検出器

ネットワーク

SiTCP

検出器を汎用ネットワークに接続する技術

データ収集ミドルウエア

多数の計算機・デバイスを容易にデータ収集に利用する技術

データ量増大に伴うケーブル問題計算機との接続の標準化問題

計算機群

PROJECT#3 ＤＡＱフレームワーク

SiTCPの紹介

小型デバイスをネットワークに接続する技術小型デバイスをネットワークに接続する技術（フロントエンドなど）

+ =

SiTCP

Ethernet PHY deviceFPGA10Mbps, 100Mbps, Gigabit 小型ボード

CPU無し

接続するだけで接続するだけでTCP/EthernetTCP/Ethernetでデータ転送可能でデータ転送可能

しかも、高速転送したい！

What DAQ-Middleware Is?

READOUTREADOUT

READOUTREADOUT

Network

Network-transpare

User A

User BRepositoryReusability READOUTREADOUT

READOUTREADOUT

READOUTREADOUT

READOUTREADOUT

Flexibility Reuse

Development

DAQ-Component

DAQ-Operator

DAQDAQ--Middleware Middleware

DAQ-Component

DAQ-Component

Run ControlFunction

SystemConfiguration

function

Data TransferFunction

WebInterface

SiTCPの採用プロジェクト

JPARC‐MLFSiTCP 2番目のユーザーJ‐PARC/MLFの佐藤さんによるSiTCP実装SiTCPライブラリを使用して佐藤さんが自分の回路と

一緒に実装した

COPPER LiteCPUボード無しCOPPER既存のFINESSEモジュール使用可

エレクトロニクスシステムグループの斎藤・田内氏が2009年度完成予定

MPGD

測定器開発室宇野氏が主導コンパクトな画像ガス検出器検出器から直接イーサネット読みだしMLF‐BL20実験に採用

SOIPIX

SEABAS

サブボード

サブボードを変更する事で様々なチップの読み出しが出来る

チップに合わせてユーザーがFPGAを設計

SiTCP

エレクトロニクスシステムグループの新井氏が主導ASIC (SOIPIX)テスト用読みだしボード面倒なネットワーク処理はSiTCPが処理ユーザーはテストFPGA設計に集中できる。

学生さんが頑張っている。特別な装置無しで読みだしてテストが出来る

大学に持ち帰って仕事できる

その他の採用

Super Kamiokande

CCD読みだしモジュール（東大相原研）

主焦点カメラ

国立天文台Hyper Suprime‐Cam 

Webページ画面

160mm x 160mm

東京大学地震研究所

2006年春SiTCPを最初に採用したグループ

2008年9月神岡にインストールされた過酷なテストをクリアした順調に動作しているようだ

Adopted in the many beam lines in MLF

working

preparing

Great help forEasy commissioning in 2008

J-PARC MLF(Muon beamline)

DAQ : DAQ‐MiddlewareAnalysis tool: ROOT

Detector:256ch Scintillators/PMTs

ミューオン・ファーストビーム（2008/９）でDAQ‐Middlewareを使用してデータを取得

最先端技術で世界発信

•SOIピクセル•Qpix•Superconducting Tunnel Junction (STJ) •Fpix

PROJECT#4 SOI /vertical integrated fine pitch intelligent pixel sensor

• True monolithic detector

Silicon On Insulator

New direction of Semiconductor forHigh speed /low powerapplication

From high-end devices toindustrial compeonentscompetitive to CMOS:

Lower power, higher speed.

Buried P-Well (BPW)

• Suppress back gate effect.• Reduce electric field around p+ sensor.

• Less electric field in BOX to improve radiation hardness

• Suppress back gate effect.• Reduce electric field around p+ sensor.

• Less electric field in BOX to improve radiation hardness

BPW

B (~1E12 cm-2)

PSUB

SOI SiBuriedOxide

B or P(~5E15cm-2)

• Cut Top Si• High Dose• Cut Top Si• High Dose

• Keep Top Si• Low Dose

• Keep Top Si• Low Dose

Normal Implantation

BPW

28

29

Without BPWWithout BPW With BPWWith BPW

Suppression of Back Gate Effect with BPW

BPW Layer is very effective to suppress back gate effect.BPW Layer is very effective to suppress back gate effect.

Vback Up

BPW

29

Imaging by visible light, X-ray…

12.5

16

20

[lp/m

m]

Resolve 25um X-Ray image

Motion pictureby “SOI camera”

X-ray test chart image

31

Vertical IntegrationVertical Integration

ZyCube μ-bump bonding (~5 um pitch) technique.First bonded chip will be available at the end of this month (Aug. 2009).ZyCube μ-bump bonding (~5 um pitch) technique.First bonded chip will be available at the end of this month (Aug. 2009).

31

International MPW• Advanced semiconductor R&D is very

expensive!• Multi Project Wafer runs since 2006

2007 2008

Examples of active Consortia on monolithic and vertically integrated pixels

• 3DIC Consortium:hosted by FNAL, focused on vertical integration, (Tezzaron, Ziptronix), about 15 institutions fromU.S., France, Germany, Italy, Poland.

• SOI-KEK Consortium:hosted by KEK, up to now focused on SOI (OKI) with institutions from Japan and U.S., extending tovertical integration (ZyCube) and invitingEuropean colleagues to join.

Global facilitation group for Vertical Integrated Pixel Sensor VIPS formed

Monolithic Pixel開発の

世界３極のひとつとして認識された

Another Pixel: Qpix project 世界発信のひそかな野望

• それぞれがADC,TDC,カウンタなどを持つ高機能ピクセル

• TimePixを超える。 (いつか)

• 東工大/工学部の専門

家と連携

E field

Q

Qpix can measure the total charge Q, as well as TOF and TOT.

Freiburg (+Bonn)

puce TimePix :14 mm

Time

先行TimePixでのイメージ

2008/10/15 Vu Minh Khoa, Tokyo Tech.

レイアウト(差動）

DAC Comp.

C.P.

Logic

70um

200um

PROJECT#5 STJ• Superconducting Tunneling Junction Detector

(超伝導接合検出器）

• meVの光子に対するphotoconductor• 他の超伝導検出器よりノイズが小さく、高速、ダイナ

ミックレンジが大きい： 最高の次世代検出器

38

クーパー対が壊れ、電子に戻る。

量子物性理論的には「準粒子が生まれる」

クーパー対が壊れ、電子に戻る。

量子物性理論的には「準粒子が生まれる」

SIS構造

meV光子

超伝導体の選別

39

宇宙マイクロ波背景放射(30-300GHz)AlとNbの厚み

の比を変えて帯域をコントロール

応用１

応用２

宇宙ニュートリノ背景放射のニュートリノ崩壊遠赤外線のエネルギー測定

3ν 2ν

γμτ ,

W

40

300m2クリーンルーム

（先端計測実験棟）

イエロールーム

アライナー

41

10-20枚

10-20枚

X線

X線

Si-APDリニアアレイ

LTCC基板

Si-APDリニアアレイ

（A)

（B)

Si-APDアレイ・システム

PROJECT#6Fast Pixel detector(Fpix)

あるべき技術のキャッチアップそして展開

•液体TPC•ASIC開発体制

44

PROJECT#7 液体 TPC

Ionization electrons

Scintillation light

Cherenkov light

Charged particle

ElectricField

νμ charged current event

νe charged current eventA. Bueno, et.al.,, hep‐ph/0701101

Liquid Ar1 kV/cm

Gas Argon

5kV/cm

GEM

readoutDouble phase

Inside Closeddewar

時間と空間の４次元完全測定

Field shaping electrodes

LAr

Cathode (- HV)

E-fi

eldExtraction grid

Charge readout plane

E≈ 1 kV/cm

E ≈ 3 kV/cm

Electronic racks

GasAr

High Voltage up to ~MV

Image of ~100kt LAr and important R&D components

• Very high purity of LAr is needed. (τ(μs)=300/ppb,  e.g:  1/e at ~5cm of 10ppb with 1kV/cm)

•Drift velocity is slower with lower voltage, and it affects more attenuation in LAr.

• To provide better  S/N, GAr is used, too.  

20m

80m

LNGtank

巨大ニュートリノ検出器

ガンマ線

電離電子群

シンチレーション発光

光電子増倍管

光電子増倍管

電場形成用電極板(2kV/cm)

TPC読み出し部(PAD)

-HV0V

80mm

グリッド

LXeTPC : プロトタイプで原理実証

２相型のテストに成功２相型のテストに成功 (Argon)(Argon)•• Cathode: 9x9 cm copper plateCathode: 9x9 cm copper plate•• AnodeAnode：：9x2.2 cm9x2.2 cm copper plates copper plates

•• 4 4 chch readoutreadout•• Field Shaper (SUS)Field Shaper (SUS)

•• 9x9 cm x0.8 mm9x9 cm x0.8 mm•• 8 mm8 mm distance (5distance (5thth is grid) is grid)

•• Extraction GridExtraction Grid•• 100 100 μμmm SUS wireSUS wire•• 5 mm5 mm pitch (1D)pitch (1D)

4747

Anode

Cathode

GEM

Fieldshapers

Extraction Grid (Gas)Extraction Grid (Liquid)

• REPIC GEM– 400 μm thickness– 300 μmφ hole– 700 μm pitch– Electrode: Copper

2009/07/22 NuFact09 at Chicago  48

Cosmic Track (double phase)

48/28

PROJECT#2 ASIC

コミュニティの実力養成のために

コミュニティのR&Dアクティビティ

を結集

•光センサー （PPD)•MPGD基礎班

GM-APD

1mm

100 – 1600 pix MPPC signal (ADC counts)100 200 300 400 500 600

Entri

es

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

PROJECT#8GM-APD array :PPD (MPPC)

First massive application in T2K

世界に先駆けてシステマティックな放射線耐性試験を実施

PROJECT#1 サブテーマMPGD基礎班

• 一枚で十分なゲイン

• もっと微細なパターン

• 安価な製造

• 放電に強い

• 可視光の応用

大学主体チームを新たに形成

「使いこなし」から世界に発信できる独創的な「発明」

KEKDTP statisticsCollaborators

0

10

20

30

40

50

60

70

80

ASIC DAQ MPGD SOI Photon STJ XeTPC ArTPC

国外

国内

KEKほか

物構研

素核研

KEKDTP total

29

145

24

61

6

素核研

物構研

KEKほか

国内

国外

競争的資金獲得• 2007-10 JST先端計測分析技術・機器開発事業 新井 SOI技術• 2009-13 科研費 新学術 羽澄 CMB（STJ)• 2009-12 科研費 基盤A 新井 SOIピクセル• 2007-08 科研費 基盤A 坪山 SOIピクセル• 2005-08 科研費 基盤A 幅 光センサー• 2007-09 科研費 基盤B 宇野 MPGD• 2007-08 科研費 基盤Ｃ 井上 オールインワンＤＡＱ• 2008-10 科研費 基盤Ｃ 仲吉 データ収集ミドルウエア• 2008-10 科研費 基盤Ｃ 安 データ収集ミドルウエア• 2006-07 科研費 基盤Ｃ 安 データ収集ミドルウエア• 2009-10 科研費 挑戦的萌芽 幅 光センサー• 2007-10 NEDO（大友,BL21）からの資金 中性子ビームモニターの開発• KEK大学支援事業

• H20-21： 筑波大（金）• H20-21： 岡山大（石野）• H20-21： 松澤（東工大）

• 加速器支援事業 北海道大学（2008年度）中性子検出器マイクロエレクトロニクス講習（田中） 等

• 総研大新領域 H19-20: STJ基礎開発（羽澄）H21: MKID基礎開発（羽澄）

• 日米 FDM for STJ/TES/MKID (羽澄）• SOI技術を用いた先進的ピクセルセンサーの開発（新井）

プラ

ット

フォ

ーム

化

ロボット技術による計測制御プラットフォーム

SiTCPによるネットワーク分散高速データ処理

多チャンネル化、高速化

MegaからGiga pixelへ数msecから数usecへ高速、高精度実験

ギガピクセル

高速DAQ

オン

チッ

プ解

析

ユビキチンワールドの解明

宇宙

素粒子・原子核

診断・医療

産業物質・生命科学

超高速ピクセル

サブナノ秒の二次元情報

マイ

クロ

ビー

ム

DTP in future

• DTP can bridge among the projects in KEK in a very practical way.

• DTP activities can also bridge among various institutes and countries obviously and naturally.

• DTP is another important key for the future of KEK.