気球実験に向けたコンパクトな ガス検出器読み出し ... - 宇宙線研究室

岩 城 智
谷 森 達 , 窪 秀 利 , 身 内 賢 太 朗 , 水 本 哲 矢 ,Parker Joseph,
澤 野 達 哉 , 中 村 輝 石 , 松 岡 佳 大 , 古 村 翔 太 郎 , 佐 藤 快 ,
高 田 淳 史 A
, 岸 本 祐 二 B
, 上 野 一 樹 C
, 株 木 重 人 D
, 黒 澤 俊 介 E
,
田 中 真 伸 F
, 池 野 正 弘 F
, 内 田 智 久 F
,
他 オープンソースコンソーシアム(Open-It)
京 大 理 , 京 大 生 存 圏 研 A
,KEK 放 射 線 科 学 センターB, 理 研 C
,
東 海 大 医 D
, 東 北 大 金 属 研 E
,KEK 素 核 研
F
2011 年 9 月 18 日
日 本 物 理 学 会 2011 年 秋 季 大 会
@ 弘 前 大 学 文 京 町 キャンパス

• Introduction
o Electron Tracking Compton Camera (ETCC)
o 気 球 実 験 SMILE
• CMOS-ASIC
o FE2009bal
o テストパルスによる 性 能 評 価
o μ-PICとの 接 続 試 験
• 新 読 み 出 しボード
• Summary

Sub MeV~ MeV γ 線 による
イメージング
•γ 線 天 文 学 ( 気 球 実 験 SMILE)
• 核 医 療
• micro-TPC
・μ-PICを 用 いた
Time Projection Chamber
・ 反 跳 電 子 の 飛 跡 とエネルギーを 測 定
• シンチレーションカメラ
・Pixel Scintillator Array
+Multi Anode PMT
・ 散 乱 γ 線 の 吸 収 位 置 とエネルギーを 測 定
1event 毎 にコンプトン 散 乱 を 再 構 成
エネルギーと 到 来 方 向 を 一 意 に 決 定

Sub-MeV gamma-ray Imaging
Loaded-on-balloon Experiment
SMILE-Ⅰ 実 験 (2006 年 9 月 1 日 )
• 10×10×15cm 3 ETCC(512ch 読 み 出 し)
• @ 三 陸 35km 4h
• 動 作 実 証 及 び 宇 宙 拡 散 γ・ 大 気 γ 線 測 定
• m-PIC 読 み 出 しにはATLAS TGC ASDを 使 用
ASD(Bipolarプロセス) : 59mW/ch
SMILE-Ⅱ 実 験
• (30 cm) 3 ETCC (1500ch 読 み 出 し)
• @ 大 樹 町 ( 北 海 道 ) 35km 2-3h
長 期 運 用 システムの 試 験 2012
• @キルナ(スウェーデン) 40km ~2w
明 るい 天 体 REP-burstの 観 測 2013~
ATLAS TGC ASD 64ch board
4ch/chip
気 球 では 電 力 、 重 量 及 びスペースは 限 られているため、
省 電 力 &コンパクトな 読 み 出 しシステムが 必 要

• 現 在 μ-PICからの 信 号 は、SONY 製 の
ASD (amplifier-shaper-discriminator) chipで 読 み 出 し
⇒ 生 産 中 止
• 省 電 力 化
ASD : 60mW/ch⇒90W for (30cm) 2 m-PIC
SMILEⅡでは30W 以 下 に 抑 えたい
⇒20mW/ch 以 下 を 目 標
• 回 路 の 高 集 積 化
現 在 ASD chipがかさばっていて、
30cm 角 μ-PICになると 扱 いづらい
ASD:4ch/chip ⇒ 16ch/chipへ
そこで、 低 消 費 電 力 のCMOS ASIC chip を
KEK 回 路 室 と 共 同 開 発 してきた

• MIPトラックを 取 得 したい
⇒ノイズレベル 6000e- (Cd = 100pF)
• 電 子 のエネルギー 取 得
⇒アナログ 出 力 :ダイナミックレンジ±1pC
• 100MHzでサンプリング
⇒タイムウォーク

CAL
Input
ch0
Preamp
PZC
Shaper
Sum
amp
ABuf
AOUT
analog ch0
Amp
×30
Comp
arator
DOUT1
DAC
digital ch0
ch15
Vth
CAL/DAC
Control
analog ch15
digital ch15
DOUT16
構 成
- 電 荷 有 感 型 前 置 増 幅 器 / 波 形 整 形 回 路 /コンパレータ
主 な 仕 様
- 製 造 プロセス:TSMC0.5μmCMOS
- 電 源 :±2.5V
-チャンネル 数 :16ch
- 出 力 :デジタル CMOS2.5V,アナログサム

ASD
FE2009bal
Ch 数 4 16
ピーキングタイム 20ns 30ns
ダイナミックレンジ -1.2~2.0pC ±1pC
ノイズ(Cd=100pF) ~3000e ~6000e
クロストーク 0.5% 以 下 ≪0.5%
( 全 ch)
タイムウォーク
Vth ばらつき 補 償
~6.5ns
(20fC-1pC)

4mm
バイアス 系
電 源 (±2.5V)
パッケージ :
LCP100P
電 源
+2.5V : 47mA
-2.5V : 66mA
⇒17.5mW/ch
(シミュレーション:15mW/ch)
シミュレーションよりは 大 きいが
要 請 値 (20mW 以 下 )はクリア
アナログSum 出 力 、テスト 入 力
DAC 補 正 用 回 路 など
16mm
アナログ 入 力 (16ch)
デジタル 出 力 (16ch)

Qin=0.5pC
Input
Analog Sum
400mV
• 入 力 -1pC~1pC
• Gain ~800mV/pC
• Peaking time ~30ns
シミュレーションとほぼ 一 致

• 64chボード 作 成
(デジタルはLVDSに 変 換 して 出 力 )
FE2009bal 4つで64chのボードを 作 成
Anode、Cathodeとも64chで 読 み 出 し
⇒2.5cm×2.5cmの 有 感 領 域
• データ 取 得 条 件
o 使 用 ガス Ar 90% C2H6 10% 1atm
o Drift Top -4.5kV (0.25kV/cm)
o ⊿GEM : 400V(P140-φ70-100t LCP)
o Anode +420V
ASDでの 測 定 ではGain~40000

線 源 : 109 Cd
400mV
Analog Sum
22keV
Res.=20%(FWHM)
Digital (LVDS)
m-PICからの 信 号 を 確 認

プラシン
z
ガス
m-PIC
10cm
有
感
領
域
プラシン
宇 宙 線 ミューオンの 飛 跡 を 確 認 ,MIPの 取 得 に 成 功
FE2009balの 性 能 はOK
このチップを 用 いた 読 み 出 しシステムを 開 発 する

プロトタイプ(30cm) 3 ETCC
micro-TPC
1m
エンコーダー
ASD
ASD
+VME
(Memory board,FADC,etc)
+NIM(Logic)
• 読 み 出 し 回 路 重 量 : >60kg( 治 具 、ケーブル 等 含 む)
• 気 球 のVesselのサイズ 制 限 (φ90cm)
⇒より 軽 量 &コンパクトな 読 み 出 しボードの 開 発

118mm
220mm
FPGA
8 FE2009bal chips
60W for a (30cm) 2 m-PIC
• 8 FE2009bal chips (128ch).
• 32ch sum analog signal output.
• 10bit 100MHz ADC ×4.
• FPGA : Xilinx Spartan6
(XC6SLX100-2FGG676C) .
• Parallel LVDS output
50MHz, 32bit (1.6Gbps).
• ±2.5V and +3.3V are required.
• Power Consumption : ~5W/board.

(30cm) 2
m-PIC
FE2009bal
(16ch)
×8
Analog
4ch
ADC
Digital
128ch
FPGA
LVDS
32bit×
50MHz
Hit position,
Clock
ADC data
VME
Memory
board
×12 boards
DAC control
Trigger
I/O

10cm
データ 取 得 条 件
o ガス : Ar 90% C2H6 10% 1atm
o Drift Top -4.5kV (0.25kV/cm)
o ⊿GEM : 350V(P140-φ70-50t LCP)
o Anode +450V
ASDでの 測 定 ではGain~50000

109
Cd
200ns
線 源 : 109 Cd 400mV
Analog Sum
Digital

400ns
• FPGAのバグのため()50MHzでサンプリング
• FADCで4ch 分 のアナログ 波 形 が 取 れていることを 確 認
• Hit 信 号 によるトラッキングは 今 後

• m-PICを 用 いたETCCによる 気 球 実 験 SMILEⅡにむけ、
省 電 力 なCMOS ASIC chip FE2009balを 開 発
• FE2009balを 用 いたコンパクトな 読 み 出 しボードを 開 発
消 費 電 力 : 160W ⇒ 60W (30cm) 2 m-PIC
重 量 : 60kg ⇒~20kg
• 新 読 み 出 しボードでのMIPトラックの 取 得
• コンプトンイメージングテスト
• FPGAロジックを 含 めたDAQの 最 適 化
• Flight Model への 組 み 込 み

μ-PIC(というかμ-TPC)の 信 号 を 読 み 出 すのに 必 要 な 仕 様 をおさらい
• ダイナミックレンジについて
1ストリップに 最 大 の 電 荷 が 入 ってくるのは
5.9keV / 26eV * 30000 倍 * e = 1.1pC
Anode、Cathode 両 方 よむので、
ダイナミックレンジは±1pC 以 上
• ノイズレベルについて
最 小 の 電 荷 は Ar ガス 中 をMIPが 走 った 時 。
1ストリップに 落 す 一 次 電 荷 量 は
1.37MeV/(g*cm -2 ) * 1.66g/cm 3 * 400um
= 90eV
⇒90eV / 26eV * 30000 倍 * e = 16fC
統 計 揺 らぎを 考 えると
1e * 30000 = 5fCからとりたい。
⇒ノイズレベル~3fC 以 下 が 必 要
1.37MeV

• ドリフト 速 度 最 速 のCF4で
~10cm/usec
• クロック100MHz(10ns)で
サンプリング
⇒1clkずれるとz 方 向 に
~1mmのずれ
• 最 小 の 電 荷 が5fCなので、
5fC 以 上 の 領 域 で
タイムウォーク10ns 以 下
が 要 求 値
(ASDのタイムウォーク:
20fCからで7ns、Vth=5fC)

• アナログ 出 力
各 chのアナログをSumして 出 力
足 し 合 わせたときにSaturateしないように
適 当 に 減 衰 させる
• デジタル 出 力
これまでLVDS 出 力 だった。
LVDSドライバが 電 力 食 い
⇒CMOS2.5V 出 力 に

• 消 費 電 力 に 関 して
• SMILEⅡにおけるm-TPC 全 読 み 出 しch 数 は
1536ch((30cm) 2 m-PIC)
• これを60W 程 度 で 読 み 出 す(Digital 込 )
• Digitalで 半 分 くらい
⇒Analog 系 は~30W
⇒ 余 裕 をもって18mW/chを 目 標 とする

項 目 目 標 備 考
Ch 数
16ch/chip
ダイナミックレンジ ±1.0pC 以 上 下 方 修 正
ノイズレベル

10cm
構 成
- 電 荷 有 感 型 前 置 増 幅 器 / 波 形 整 形 回 路 /コンパレータ
主 な 仕 様
- 製 造 プロセス:0.5μmCMOS
- 電 源 :±2.5V
-チャンネル 数 :8ch ⇒ もっと 集 積 度 を 上 げたい
- 出 力 :デジタルLVDS,アナログサム
55
FeによるX 線 イメージ
- 消 費 電 力 :30mW/ch ⇒ さらに 消 費 電 力 を 抑 える 必 要 性
8ch/chip
20cm

入 力
preamp
PZ
Shaper
Sum amp
デジタル
-5mV
3.5mV
-11mV
10mV
2mV
0 1 2[us]

-3 -2 -1 0 1 2 3 [V]
-3 -2 -1 0 1 2 3 [V]
-600 -400 -200 0 200 400 600 [mV]
PZ 出 力
Shaper 出 力
Sum amp 出 力
-2 -1 0 1 2
[pC]
-2 -1 0 1 2
[pC]
-2 -1 0 1 2
[pC]

タイムウォーク(ns)
10fC
最 大 6ns
(10fC-300fC)
入 力 電 荷 (fC)
10fC~1pCまででタイムウォークは~6ns
シミュレーション(7ns)と 同 程 度
30

After calibration
: 20mV(0.4fC)
Before calibration
: 300mV(6fC)

2011/1/17

FPGA : Vertex2P XC2VP30 ×8
SDRAM : オプションで512MBまで
Memory Board とのI/F : DX20BM-68S
2011/1/24 追 加

Analog 4ch
ADC
Clock
Data exist
FIFO
Trigger
Digital 128ch
CMOS 2.5
FIFO
Edge
検 出
Data
format
Clear
Transfer
To Memory Board
FPGA
DAC control 3ch
Vth(-1~1V)
DAC
DAC control

シールド
m-PIC
シールド
CR- 基 板
シールド
いわきちっぷ128ch + エンコーダ
いわきちっぷ128ch + エンコーダ
To MB ×2