J-PARC ミューオンg-2/EDM 実験 : シリコンストリップ検出器用読み出し回路の要求性能

J-PARC muon g-2/EDM experiment:Required performance of read-out circuit for silicon strip sensors

古浦新司A,B

池田博一B,C, 池野正弘B,D, 上野一樹B,D, 内田智久B,D, 川越清以A, 高力孝B,D, 齊藤直人D, 佐々木修B,D, 調翔平A,B, 田中真伸B,D, 東城順治A,B,

西村昇一郎E, 三部勉B,D, 吉岡瑞樹A, 他J-PARC muon g-2/EDMコラボレーション

九大理A, Open-ItB, JAXAC, KEK素核研D, 東大理E

日本物理学会第69回年次大会@東海大学湘南キャンパス2014.03.30

もくじ

• J-PARC ミューオン g-2/EDM実験

•陽電子飛跡検出器 –シリコンストリップセンサー

•読み出しフロントエンドASICの要求性能

•開発スケジュール

•新型ASIC – 64chプロトタイプ “SlitA2013”

• シミュレーションによる評価結果

• まとめ

1

ミューオン蓄積磁石（3T）

J-PARC ミューオンg-2/EDM実験ミューオン g-2

現在の精度：0.54 ppm @BNLSMの予測値から3.3σの乖離

ミューオン EDM現在の上限：10-19 e・cmSMにおいては強い制限

より高い精度でズレが確認できれば新物理

有限の大きなEDMが測定されれば新物理

g-2 : 0.1 ppmの精度EDM : < 10-21 e・cmの感度

を目標とする

• 無電場蓄積リング• 極冷ミューオン

先行実験とは全く異なる新手法

J-PARC ミューオンg-2/EDM実験

J-PARC 物質生命科学実験施設(MLF)ミューオン基礎物理ビームライン(H-Line)

2

無電場・一様磁場の蓄積リング内でミューオンがスピン歳差運動

Instantaneous

rateg-2 period : 2.2μsec

1.6 MHz/strip

16 kHz/strip

陽電子飛跡検出器

崩壊から出る陽電子の計数変化からg-2陽電子の上下方向の放出角度非対称性の時間変動からEDM

高いgranularity, 速い応答, 高安定性…

シリコンストリップセンサーを使用

2桁減少!

3

崩壊陽電子の飛跡・時間測定高磁場(3T)での動作高イベントレート耐性

大きなレート変化への耐性

…が求められる

読み出しフロントエンドASICの要求性能

• レート耐性Hit rate : 1.6MHz / strip

• 時間測定＞ 5 life time → 40μs

• チャンネル数768ch in small space → 128ch / chip

全体としてのRequirements

Parameters Requirements

ゲイン ＞ ~19 mV/fC

ノイズ ＜ 1600 e

S/N 15

パルス幅 ＜ 100 ns

ダイナミックレンジ 5 MIP

チャンネル数 128

タイムウォーク << 5ns

消費電力 As small as possible

ASICアナログ部へのRequirements

Analog part Digital part

PreAMPShaper Comparator

DAC

TDCCompressorSerializer

Digital control

~100nsgood S/N

Time walk << 5ns

5ns time stamp40μs digital memoryZero data suppress

ASICブロック図

今回お話するのはこちら

FPG

A

検出器信号

増幅・整形

スレッショルド調整AD変換

4

フロントエンドASIC開発スケジュール• 2011 16chプロトタイプ（Analog & digital）デザイン

• 2012 16chプロトタイプ”SlitA”評価

64chプロトタイプ（Analog & digital）デザイン

• 2013 64chプロトタイプ”SlitA2013”評価

• 2014 128ch実機デザイン開始

• 2015 実機量産開始

本講演

調講演30pTF-7

日本物理学会第68回年次大会上野講演

概ね要求は満たしていたが…

パルス幅が約130ns＜100nsの要求をオーバーしていた

Process : UMC 0.25μm

5

新型ASIC – 64chプロトタイプ “SlitA2013”

プロセスを変更 : UMC 0.25μm → Silterra 0.18μmチャンネル数を増設 : 16ch → 64ch

構造自体はほぼ先代ASIC ”SlitA”のまま

Det

ect

or

sign

al

To D

igit

al p

art

先代ASIC ”SlitA”の結果も踏まえ新型プロトタイプをデザイン

6

シミュレーションによる評価１

40.9 mV/fC

ゲイン

＞ 5MIP

ダイナミックレンジ

4.0 ns@1-5MIP

タイムウォーク

24.2 ns@1MIP

パルス幅

• Spiceシミュレーション（Spectre）を使用• 検出器の容量Cdetは15pFとした• 1MIPは、3.6fCに相当

Comparator 入力信号for 1MIP – 5MIP input

Digital 出力

time [ns]

V[m

V]

V[m

V]

width

time walk

7

シミュレーションによる評価２

100 ns間隔@ 1MIP（= 3.6 fC）を分離可能

10MHz以上のレート耐性

パイルアップ耐性

等価雑音電荷（ENC）で評価ENC = σ[mV] / A[mV/fC] / e[fC]

σ : noise, A : ゲイン, e : 素電荷

959e @ Cdet=15pF

ノイズ

time [us]

V[m

V]

V[m

V]

周波数 [Hz]

ノイズの周波数分布入力1MIP, Cdet = 15 pF

V /

sq

rt(H

z)8

Comparator 入力信号1MIP@interval 100ns

Digital 出力

シミュレーション結果まとめ

Parameters Requirements Simulation result

ゲイン ＞ ~19 mV/fC 41 mV/fC

ノイズ ＜ 1600 e 959 e

S/N 15 19.6

パルス幅 ＜ 100 ns 24.2 ns @ 1MIP

ダイナミックレンジ 5 MIP ＞ 5MIP

チャンネル数 128 64

タイムウォーク << 5ns 4 ns

消費電力 As small as possible 2mW/ch

9

まとめ

• J-PARC ミューオンg-2/EDM実験は、ミューオンの異常磁気モーメントg-2及び電気双極子モーメントEDMをそれぞれ0.1ppmの精度、10-21e・cmの感度で測定することを目指す

• ミューオンの崩壊陽電子の飛跡検出はシリコンストリップセンサーによって行われる

• そのフロントエンド回路には速い読み出しが要求されるため、本実験独自のフロントエンドASICを開発中である

• 新規にデザインしたASIC ”SlitA2013”がシミュレーション上で実験要求を満足することが確かめられた

• 実機の評価は、次の調の講演で報告する

10

Back up

先代ASIC - 16chプロトタイプ “SlitA”ASIC 本体

SlitA Evaluation board

概ね要求は満たしていたが…

パルス幅が約130ns＜100nsの要求をオーバーしていた

Process : UMC 0.25μm日本物理学会 第68回年次大会

上野講演

AVRfor control

~10

cm

新型ASIC – 64chプロトタイプ “SlitA2013”

Simulation – Wave form

Peaking time and pulse width got better!!

Black : 0.25um process

Black : 0.25um process

Blue : 0.18um process

Purple : 0.18um process

Pre-amp out

Comparator input

Peaking time : 40ns → 20ns

Pulse width : ~100ns → <80ns

Noise : 2500e →

1700e@Cdet30pF