素核研・測定器技術開発の現状とプラン ATLAS 周辺 池上 陽一 (KEK/IPNS) 2005.03.01

1. 素核研・測定器技術開発の現状とプランATLAS周辺池上　陽一 (KEK/IPNS) 2005.03.01 ATLAS superimposed to the 5 floors of building 40 LHC 計画　@CERN √s=14TeV L = 1034 cm-2 s-1 2007年　実験開始 Higgsの発見を焦点に Diameter 25 m Barrel toroid length 26 m End-cap end-wall chamber span 46 m Overall weight 7000 Tons

2. アトラス国際チームの財政分担・参加機関・研究者数（トップ１０）アトラス国際チームの財政分担・参加機関・研究者数（トップ１０）

3. ATLAS 測定器の構成（赤は日本グループが関与） • Magnets -- Central Superconducting Solenoid (B=2T) -- Barrel and Endcap Superconducting Toroids (Bdl=2~8Tm) • Tracking (||<2.5): -- Silicon pixels detector -- Silicon microstrip detector -- Transition radiation detector • Calorimetry (||<5): -- EM : Pb-LAr -- HADRON: Fe/scintillator (central), Cu-LAr (endcap) -- Forward : Cu-LAr(EM) + W-LAr (hadron) • Muon Spectrometer (||<2.7) : -- Precision chambers : MDT, CSC(fwd) -- Trigger system : RPC(barrel), TGC(endcap)

4. Barrel Silicon microstrip detector(SCT　： Semiconductor Tracker ) ×2,112 modules → Total area = 34m2 radiation tolerance 3×1014 n/cm2 (10 years) 4 cylinders r = 30~52cm |η|<1.4 First complete barrel cylinder at Oxford U. December 2004 ↓ CERN

5. Barrel SCT modules Specifications: Strip pitch : 80 μm Stereo angle : 40 mr readout channels ; 1536 ch ~ 5000 wire bondings Assembly accuracy < 5 μm Parts: 4 Silicon sensors (Hamamatsu) 12 ABCD chips (BiCMOS ASIC) TPG thermal conductor (UK) Flexible hybrid circuit (Japan) Fablication: Total: 2600 modules 980 in Japan (best yield > 95%) Others in UK, US and Scandinavia

6. module-mounting robots Two module-mounting robots designed and supplied by KEK.

7. Barrel SCT における主要な測定器技術開発 • Radiation-hard Si センサーの設計開発 • High-density low-mass Readout Hybrid（COB）の設計開発 • 1μm精度のmoduleの組み立て、及び検査方法の確立 • 5K wire bondings x 1K module -> 5M WBｓの経験 • module-mounting robot の設計開発 • Laser による Module検査方法の確立 • IRカメラによるSi センサーの不良解析

8. アトラス超伝導ソレノイド：KEKが提案・設計・開発・建設を100%担当アトラス超伝導ソレノイド：KEKが提案・設計・開発・建設を100%担当 ・電磁カロリメターの内側なので肉厚を極力薄くした： 　　→　高強度のアルミニウムを採用（古河・日立電線と技術開発） 　　→　クライオスタットを液体アルゴンカロリメータと共用

9. アトラス超伝導ソレノイド　（日本が担当） 東芝京浜工場（1999年） 励磁成功（2000年12月） CERNに到着（2001年9月） Maiani所長らと LArクライオスタットへ据付(2004年2月）

10. 2004年7月5日：CERN地上試験で8197アンペアを達成した。通常の運転電流は7600アンペアである。2004年7月5日：CERN地上試験で8197アンペアを達成した。通常の運転電流は7600アンペアである。 2004年10月にアトラス地下実験場に運搬された。

11. TGC • Thin Gap Chambers (TGCs) are used for the muon trigger system in the end-cap regions of the ATLAS detector at Large Hadron Collider(LHC). Muon spectrometer (air-core Toroid) Toroid Magnets Hadron Calorimeter 22m • TGC at ATLAS detector • Total 3600 chambers • 320,000 read-out channels • Total area ~2,000m2 43m Solenoid Magnet Inner Detector EM Calorimeter

12. 1.3m 1.4m Thin Gap Chamber Requirements on ATLAS: • Fast signal response (<25ns) • High efficiency (>98 %) • Radiation-proof (~0.6C/cm) • Rate capability (~kHz/cm2) ASD: Amp. Shaper Discriminator

13. 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 Test production T7 type production 672 chambers T4 192 T5 192 Checking quality Graphite spraying 80 boards/month 4 board /day Mounting Read-out boards 1 Unit/day 3 persons FR4 Frame Gluing Wire winding 2 boards /day 1 person 4 boards/day 3 persons Making doublet (triplet) Singlet closing 1 Unit/day 2persons 2 TGCs /day 3 persons Paper honeycomb

14. TGC chamber Quality Control • TGC is fabricated by the gluing processes (we can no longer reopen it after closing TGC). • We have to control the surface distortion less than 200 mm • We apply following tests: • Measurement of the surface resistance of cathode after the graphite spraying, • High voltage test before and after closing singlet TGC, • Pulse test after mounting adapter board and • High voltage test after mounting adapter board. • Pulse response check by b-ray radioactive source • Cosmic ray test at KOBE Univ.

15. Graphite spraying and FR4 frame Gluing • Graphite spraying by automatic sprayer • two-dimensional linear actuator • spray gun by the pneumatic control  AT FR4 Frame gluing : To control the quality of epoxy adhesive. Screen painting method for parts and Auto dispenserfor button supports are adopted.

16. Wire winding Anode Wire: Gold plated Tungsten (A.L.M.T. co. Ltd.) Solder: Sn(80)+Zn(20) Flux: Water soluble flux (including: ZnCl2+ZnNH4) Wire winding machine • Consists of a linear actuator and a rotating table. Total ~800,000 wires for all TGCs

17. TGC closing • In order to make flat plane, the combination of the vacuum-press and the suction plate technique have been adapted. Number of measured points

18. Making doublet modules • In order to make TGC flat, • Aluminum honeycomb keeps upper TGC. • Granite table keeps lower TGC by –40 kPa pressure. • The gas volume of the singlets TGC is slightly over-pressured (150 pa) as counter force against the force on the rubber sheet. TGC

19. Detector performance Bad sample • Cosmic ray test at KOBE Univ. • Position dependence of the efficiency was measured with a granularity of 5mm-by-5mm.

20. TGC chamber Summary • 1200 TGCs have been produced in Japan • We created the required environment to make 2 TGCs/day. • We have to make uniform quality • Controlling the TGC’s surface distortion <200 mm • We have developed some tools (screen painting method or air control at gluing)

21. Atlas TGC ASICs • 320k channels Muon Trigger Chambers • L1 Trigger and Readout Circuits • Synchronous (40MHz) track finding circuits (<20 clks latency) • 100 kHz trigger rate • On-detector electronics • 耐放射線性　（全ての半導体の照射試験を行う） • TID:50 krad (最大時：安全係数込み） • SEE:2.11x1010 h/cm2/10 years （安全係数なし） • FPGAが使用出来ない • 許容消費電力、スペースの制限 • チャンネル単価　:　目標　 \1,000/ch （全エレキシステムで） • 4種類のASICの開発 • Atlas TGC日本グループとKEK回路室 • ASD, Patch-Panel ASIC, SLB ASIC, H-pT ASIC

22. Amplifier-Shaper-Discriminator (ASD) • SONY Bipolar Analog Master Slice • 回路設計全てを自前で行い、配線レイアウト、プロセスのみをソニーに委託 • 4-ch per chip • 量産 • 100k chips for Atlas • 10k chips for PS Exp. • 積分時間変更版 • 京大（谷森研）-KEK • 23k chips共同購入 • J-PARC等からの要請 • Higher gain from MPGC (JAERI) • New process

23. Patch-Panel ASIC and SLB ASICVDEC-Rohm full-custom 0.35mm CMOS • 回路設計、レイアウト設計全て自前 • アナログ回路の設計 • LVDS Rx • Variable Delay (sub-ns step, PLL control) • Test Pulse Generator • 初段trigger matrix回路､読み出し回路 • JTAG Control • 量産 • PP ASIC(5mm角) 25k 済み • SLB ASIC(10mm角) 5k • 度重なる失敗を繰り返し、ついに完成　4月量産予定

24. H-pT ASICVDEC-Hitachi 0.35mm CMOS Gate Array • 回路設計、レイアウト設計全て自前 • 第2段trigger matrix (all logic) • FPGA感覚で出来た！ • でも、後からバグが見つかったりする。外付け回路で逃げる。 • 1.2k chips 量産 • FPGAでは無理？ • 放射線SEE • 多入出力 • 多配線資源 • 多Flip-Flop • FPGA自動配置 　　配線では辛い

25. ATLAS Muon TDC (AMT) chip • ミューオン検出器用TDC ~40万チャンネル • 400 kHz/ch最大入力レート, 100 kHz トリガーレート • 立ち上がり／下がり（幅）エッジ時間測定 • 781 ps/bit, 250 ps RMS 分解能 • トリガーに対応したデータのみ選択出力 • 80 Mbps Serial/32bit Parallel Output • 放射線耐性 ( >50 krad, Low SEE, > 10year LHC) • Double Hit Resolution ~5 ns • 安価(¥200/ch), 低電力 (~15 mW/ch) & 高密度 (24 ch/chip) • 0.3 m CMOS

26. ASD AMT ATLAS MDT Front-end Electronics 信号の立ち上がり／下がり及びスルーレートの測定を行う。

27. ATLAS AMT 現状 • 20,000チップ量産終了。 • 17,000 Frontend Board生産終了。 • 現在チェンバーへの取付中。 他実験での応用 • AMT-VME ボード(~100台販売), K2K, Cangaroo,理研… • Bellアップグレード(Copper TDC Finessボード) • Bepi Colimbo水星探査衛星(宇宙科学研）搭載予定。 • Super-Kアップグレード（〜４万チャンネル)使用予定。 • Ionwerks Inc.微量分析装置（米国）

28. 次期測定器技術開発のプラン • LHC upgrade (SuperLHC)のシナリオ • 実験開始 • Low luminosity run • 2010 High luminosity run Higgs (or SUSY)発見か • 発見から精密測定のphaseへ • 2014 focusing quadrupole の radiation limit < 700 fb-1 • upgradeの可能性を検討 • luminosity × 10 (1034 → 1035 cm-2s-1) √s × 2 • ATLAS全体としてもUpgradeの詳細な検討が開始 • Workshop on ATLAS Upgrades for High Luminosity (2005.02) R&D 開始 (3年) 量産開始 (5年) install

29. Detector upgrades for SLHC Magnets Calorimeter Muon Spectrometer OK (need minor changes) Inner Tracker Need major detector upgrades due to radiation damage and large occupancy pixels detector 6×1015 n/cm2 Si microstrip detector3×1014 n/cm2 Transition radiation detector 6×1013 n/cm2 (chamber) 10years × 10 Radiation damege → charge collection の悪化、 S/Nの悪化 leakage current の増大、 full depletion voltage の増大 coolingの負担 (-10℃) HV PSの負担

30. SCT upgrades R&D strip type short strip stripixel channel数を押さえる工夫 long pixel Wafer : radiation hard Si sensor n- type bulk(radiation damege を受けて p- にtype inversion) → p- type bulk (waferの安定な入手が困難) Standard Floating Zone (高抵抗単結晶Siの製法の標準) Diffusion oxygenated FZ Czochralski oxygen rich → rad hard Magnetic Cz Epitaxial layers on Cz-substrates n- type bulk は使えないのか？ n- strip (w/ p- stop) in n- bulk Thin layer 量産可能な技術であること

31. SCT upgrades R&D (2) Readout ASIC Deep sub-micron CMOS Technology CERN successfully developed rad-hard DSM technology (IBM 0.25 μm) SiGe BICMOS Technology Low power, High speed, Low noise (radiation hard?) Irradiation test facility 3×1015 n/cm2 Irradiation test が必要。 KEK PS EP1A (2×1012 PPP) →1week 放射化物質の移動　→　国内で、行いたい

32. 資料

34. AMTブロック図 Chamber Resolution

35. Summary • 1200 TGCs have been produced in Japan • We created the required environment to make 2 TGCs/day. • We have to make uniform quality • Controlling the TGC’s surface distortion <200 mm • We have developed some tools (screen painting method or air control at gluing)