ATLAS高時間分解能検出器の進展

ATLASの高精度タイミング検出器（HGTD）は、LHCプロジェクトの新しい部分なんだ。LHCで行われる実験の精度を向上させるために、高精度なタイミング情報を提供することを目指してる。それを実現するために、ALTIROC1という新しいタイプの電子回路、アプリケーション特化型集積回路（ASIC）が開発された。このASICは、粒子衝突中に発生する微弱な信号を検出するのが得意な低ゲインアバランシェダイオード（LGAD）センサーと連携するように設計されてる。

#ALTIROC1って何？

ALTIROC1は、HGTDのフロントエンド電子回路として機能するプロトタイプASICなんだ。5x5のマトリックスで構成されていて、いくつかの重要なコンポーネントが入ってる。これには、プリアンプ、ディスクリミネーター、2つのタイム・トゥ・デジタルコンバーター（TDC）、そしてSRAMというメモリーシステムが含まれてる。プリアンプの役割は、LGADセンサーからの小さな電気信号を増幅すること。ディスクリミネーターは信号が検出された時を判断するのに役立って、TDCは信号の正確なタイミングを測定する。

#コンポーネントについて

#プリアンプ

プリアンプには2種類のテストが行われた：トランスインピーダンスプリアンプ（TZ）とボルテージプリアンプ（VPA）。トランスインピーダンス型は感度が高く、速い信号の処理に優れてる。ボルテージプリアンプは設計が簡単だけど、LGADセンサーアレイとの使用時にいくつかの問題が見つかった。

#ディスクリミネーター

ディスクリミネーターは、信号が特定の閾値を超えたときに識別する役割を持ってる。信号が検出されると、ディスクリミネーターはTDCでさらなる処理に使われる出力を生成する。

#タイム・トゥ・デジタルコンバーター（TDC）

TDCは、信号が発生する時をクロック（40MHzに設定）に対して測定する。測定した時間情報を後で処理できるデジタル形式に変換する。TDCの設計は非常に正確なタイミング測定を可能にしてる。

#メモリ（SRAM）

ALTIROC1のSRAMはデータを一時的に保存する。ASICがキャプチャした情報に素早くアクセスできるようにして、実験時のデータフロー管理にも役立つ。

#パフォーマンステスト

ALTIROC1の性能を確認するために、いくつかのテストが行われた。ASICは単体でベンチで、そしてLGADセンサーに接続したシステムの一部としてテストされた。これらのテストから、ASICがHGTDプロジェクトで設定された技術要件を満たすことができることがわかった。

#ベンチテスト

ベンチテスト中、ASICは良好に機能して、信号測定時のジッター（タイミングの変動）が低いレベルを達成した。ただし、ASICをLGADセンサーアレイに接続した際に問題が発生し、ノイズが増加してパフォーマンスが低下した。

#ジッターと信号検出

ジッターはタイミング検出器にとって重要な性能指標。検出された信号のタイミングがどれだけ一貫しているかを示す。例えば、10 fC（フェムトクーロン）のチャージがASICに注入されたとき、測定したジッターは15 ps（ピコ秒）だった。しかし、チャージを4 fCに減らすと、ジッターは35 psに増加した。

#カップリングの影響

ASICをLGADアレイに接続した際の性能問題はデジタルカップリングに起因している。これは、ASICのデジタル信号が検出される信号に干渉する現象。ASICをLGADアレイと使用したとき、最小検出可能チャージが1.5 fCから3.4 fCに増加して、感度が低下したことを示してる。

#ビームテスト結果

ASICの能力をさらに評価するために、高エネルギー粒子を使ったビームテストがCERNで行われた。テストの結果、観察されたカップリングの問題にもかかわらず、デバイスはまだ仕様を満たすことができることが分かった。

#タイム分解能の測定

タイム分解能は、性能を評価する上で重要な要素。また、テストでは、タイミングの差を補正した際に、印象的なタイム分解能40.2 psが示された。

#タイムウォーク補正

タイムウォーク効果は、信号の振幅に基づいて信号検出のタイミングが変化することを指す。この効果を補正するために、TDCで得た情報を使って技術が開発された。最高の補正を行った結果、タイム分解能は46.3 psに達した。

#今後の改善

ALTIROC ASICの将来のバージョンでは、テスト中に特定された問題に対処するための改善が含まれる予定。これには、15x15のマトリックスに拡大し、性能を向上させるためのデジタルコンポーネントを導入することが含まれてる。

#設計の最適化

目標はカップリング効果を最小限に抑え、検出器の全体的な感度を向上させること。これには、異なる温度や放射線レベルを含むさまざまな条件下でASICをテストすることが含まれる。

#結論

ALTIROC1 ASICの開発とテストは、ATLAS HGTDの性能向上に向けた有望な結果を示してる。特にデジタルカップリングやタイム分解能に関してはいくつかの課題が残ってるけど、電子設計はLHCでの将来の実験に必要な高い基準を満たすことができる。設計の継続的な改善とさらなるテストが、この技術が粒子物理学の理解を進める重要な部分になることを確実にするだろう。