レーザーを用いたATLAS SCT 検出器の性能評価

• シリコン検出器の基本性能およびレーザー測定の基本を知る
• レーザーの性能を知る
• レーザーを使って詳しく性能を評価する
• SCTDAQとシリコンの時間特性を理解する
• 量産センサーの性能を評価する

• 1A: 電流ーバイアス電圧曲線 （IV カーブ）
  検出器への逆バイアス電圧を変化させると、バルク部からの暗電流や表面を 伝わって流れる暗電流が増加する。全空乏化電圧を超えると、バルク部電流は 一定になる。測定に用いている検出器の全空乏化電圧は１００V以下なので、その様子 が分かる。できの悪いものは表面電流が多く、また、マイクロ放電と呼ばれる、 局所的な高電場による暗電流の増加が見られる場合もある。 ATLASモジュールの耐圧は500Vなのでそれを超えては印加しない。
  マクロ： laser_iv_cntl(350,10,0)
  データ： laser_iv.dat（データは最後の測定にappendされるので必要な分は抜き取る事）
  説明：電圧350Vまで10V間隔でIーV測定を行う。最後のパラメータ０は電圧を 変えながら閾値曲線を測定しないモードである。パラメータ１の場合は21に 後述する。
  結果：
  
  
• 1B: IVカーブの温度依存性
  温度により半導体の性質は変り、バルク部電流はシリコンに特有な温度依存性を 示す。冷却温度を変えて暗電流を測定する。 但し、温度モニターはハイブリッドにしか 無いので、正確な温度依存性は恒温槽の中に入れないと分からない。
  マクロ、データは1Aと同じ。
  結果：
  
  
• 2A レーザー信号を入れて閾値曲線
  逆バイアス電圧を全空乏化電圧よりも高く設定し、閾値曲線を取る。その為に、 レーザーをON(電源スイッチ、EXTERNAL, EMISSION)とパルサーの電源を忘れずに。
  シリコンのバイアス印加のために以下のマクロを実行する。
  マクロ： hv_cntl(150,10)__150Vまで10Vステップで電圧印加
  バイアスを0Vに戻すには、 hv_cntl(0,10)で良い。レーザーの焦点を合わせ、測定する stage_Cで例えば20番ストリップ位置にレーザーを入射する。モジュール位置較正済みであれば、特定のストリップに移動、で良いが、較正されていない場合は、モニター画面 を見ながら合わせる。（バイアスリングの隣からストリップ番号0,1,..と数える） 入射したらバイアスを加え、以下のどれかのマクロで閾値曲線を測定する。
  マクロ：XTThreshold(10,30,100,1,0,0/1,20)
  マクロ：XTThreshold(10,30,100)
  マクロ：XTThreshold(0/1,20)
  マクロ：XTThreshold()
  データ：XTThresh日付時刻.dat, XTThresh_neighb日付時刻_link番号_strip番号.dat
  説明：100events, comp mode=1, edge=0でstrip10-30を 記録する。strip20と21のデータをフィットして効率＝50%の電圧などを評価する (つまり隣もフィットする)。0/1は表面（0)か裏面(1)かの測定を意味しlink番号 と呼ばれるもので、どちらかを 選択する。該当する引数が省略された場合はlaser.txtのデータが使われる。但し、 記録するstrip番号に限っては省略された場合、フィットするstrip番号の 前後５stripが選ばれる。
  
  
• 2B: レーザー信号を切って閾値曲線
  逆バイアス電圧の設定は２Aと同じ。信号が入らないからノイズの測定になるが エレキの特性のために設定に注意しなくてはならない。 ノイズは信号より小さいから、閾値の領域を２Aより低くする。直接、laser.txtの 最初の2行を書き換える。
  マクロ、データ： ２Aと同じ、もしくはXTThreshold(10,30,100,0,0,0/1,20)
  結果：
  
  2Aと2Bの差がレーザーによる信号である。アンプの増幅率約60mV/fCで信号を換算し、 ATLAS実験で期待される電荷量３fCと比較し、あまりずれていないことを確認する。
  
  
• 2C: 参照光等の測定への影響を調べる
  逆バイアス電圧を設定しレーザーを入射する。参照光や顕微鏡視野光を変えて 閾値曲線がどう変るか測定する。合わせて暗電流の変化も記録する。
  マクロ、データ： ２Aと同じ
  結果：
  

• 11: レーザーの安定性
  レーザー出力は最大の１mWに設定し、特定のチャンネルに照射し続けることで レーザー出力の安定性を評価する。特に温度が一定しない電源ON直後などは 変化が予想される。
  マクロ：XTThresh_repeat(30,4,0/1,20)
  データ：2Aと同じ
  説明：link 0/1のstrip20の曲線をフィットし、４分間隔で３０回測定する。
  結果: ２つのグラフは（上）測定前に１２時間使用（下） ２時間はOFFにしておいた、の違いである。RMSはそれぞれ1.2%, 1.7%となった。
  
  
• 12: 焦点深度による違い
  レーザー光は殆んど通り抜けるので、焦点が多少ずれても発生する電荷量に 大きな違いは無いと思われる。Zステージで焦点深度を変えながら、閾値曲線を 取る。まず、Zステージのメモリと移動距離の対応をとっておくこと。
  マクロ：2Aと同じ
  データ：2Aと同じ
  結果：平均電荷と拡がりを示す。Z=0はシリコンの 表面で、Z>0は焦点がシリコンの上方、Z<0はシリコンの内側（厚み300um)を意味する。 Z=0,+90,-240umでの閾値曲線を参考のために ここ に示す。
  
  
• 13: レーザースポットサイズを変えてみる
  測定は12とおなじ。但し電荷量によって、閾値範囲を調整する必要あり。閾値の 最大値は640mV(2.5mV間隔８ビット)である。
  結果：
  
  
• 14: レーザーパワーを変えてみる
  測定は12とおなじ。レーザーパワーを変更するには、CONTROLの直ぐ上の矢印の書い てないボタンを押してWATTSを表示させる。上矢印、下矢印によって値を設定する。 レーザーパワーを落すと時間分布が悪くなったりするので、基本的には１Wが好ま しい。
  結果：

• 21: バイアス電圧による収集電荷の変化
  検出器への逆バイアス電圧を変化させる。全空乏化電圧以下では、バルク部の 一部はキャリアが残る状態にあるため、レーザーにより発生したキャリアは再結合 のために効率的に信号を発生できない。この未空乏化の厚さはバイアス電圧を上げる と減少するので、収集できる電荷量は次第に増加する。但し、ストリップ型電極の 性質のため、全空乏化電圧を超えても直ぐには最大値に達しない。 適当に広く閾値領域を設定して、バイアス電圧を変える。
  マクロ： laser_iv_cntl(350,10,1)
  データ： 1A
  説明：１Aとの違いは最後のパラメータ１であり、電圧を変えながら 閾値曲線を測定する。
  結果：
  
  
• 22: 隣接するチャンネル間の信号分離
  隣接するチャンネル間の信号分離は、シリコンバルク内に形成される電場分布とホール 移動中の拡散により決まる。レーザー位置をstage_C.exeで変えながら閾値曲線を測定 する。最初は十分電圧を高く設定する。
  マクロ：２Aと同じ
  グラフ：２Aと同じ
  説明：2Aの例ではパラメータをstrip20に設定し、strip20とstrip21の間に レーザーを入射すれば信号分離が測定できる。
  結果：
  
  
• 23: 信号分離のバイアス依存性
  シリコンバルク内に形成される電場分布はバイアス電圧で変るし、ホールの移動 速度も変るため拡散の程度の変ると来たいされる。電圧設定を変え、２２ と同様にして、レーザー位置をstage_C.exeで変えながら閾値曲線を測定 する。
  マクロ：２Aと同じ
  グラフ：２Aと同じ
  結果：バイアス電圧200V
  結果：バイアス電圧100V
  
  
  
• 24: ストリップに沿った収集電荷一様性
  読み出しに近い位置で発生した電荷に比較して、ストリップの先端部で 発生した電荷の収集は劣化するかもしれない。ストリップからの位置を 一定にしてストリップに沿って一様性を測定してみる。
  マクロ：２Aと同じ
  グラフ：２Aと同じ
  結果：
  
  
• 25A:周辺部での収集電荷効率
  ストリップ間の構造と比較して、周辺部の構造は複雑である。それらの場所での 電荷収集効率を特定のバイアス電圧で測定する。 マクロ：２Aと同じ
  グラフ：２Aと同じ
  結果：
  
  
• 25B: 周辺部での収集電荷効率を電圧を変えて測定する
  24Aの測定で、収集効率が劣る場所が見つかったら、電圧依存性も測定し原因を 特定する。
  マクロ： laser_iv_cntl(350,10,1)
  データ： 1A
  結果：
  
  
• 26: 検出器の角度を変えて電荷量や信号分離を測定する。
  ATLASでは検出器は10度の角度をもって設置される。これは磁場中のLorentz力 を考慮して最良の信号分離になる角度である。また、低運動量の荷電粒子は角度 をもって入射する。この場合の性能を評価する。
  マクロ： laser_iv_cntl(350,10,1)または2A
  データ： 1A
  結果：
  
  

• 31: データ圧縮モードを変えて閾値曲線をとる
  マクロ： 2A
  データ： 2A
  結果：
  
  
• 32: 各データ圧縮モードについてレーザータイミングを変えて閾値曲線をとる
  レーザーとL１Aのタイミングは２つのパルサーからのTTL信号とNIM信号の時間差で 決っている。現行の850nsを適当に変更して閾値曲線をとる
  マクロ： 2A
  データ： 2A
  結果：
  
  
• 33: パイプラインセル番号を変えてみる
  32の850nsの設定はレーザー発振の遅れ、SCTDAQの遅れとともに、読み出すパイプライン セルの設定でも決まる。laser.xppの始め辺りに XTSetTriggerDelay(121) により121番目に設定しているので、この数字を変えてからタイミング曲線を取って みる。
  マクロ： 2A
  データ： 2A
  結果：
  
  
• 34: シリコン信号の伝達時間を測定する
  32で信号のタイミングに最も敏感な条件を求め、その条件で読み出しアンプの近くに レーザーを入射したときと遠くに入射したときの時間差を測定する。
  マクロ： 2A
  データ： 2A
  結果：
  
  

• 41: バイアス電圧の上下を繰り返した場合の応答安定性
  ATLAS実験中は検出器バイアスの再設定を何度か行い、その間は一定の電圧(=burnin_hv と呼ぶ）でデータを取る。この状況を模擬するために、IV曲線を取りながら 閾値曲線をとることを繰り返す。
  マクロ： laser_iv_repeat(300,20,30,1)
  データ： iv_curve.txt, iv_repeat.txt, i_stability.txt (ともにAppendされる）
  説明：300Vまで20VステップでIVを取り、閾値曲線も取る（最後のパラメータ）。この サイクルを30回繰り返す。burnin_hvの設定（現行は150V)や繰り返し間隔Tinterval, burnin中の電流モニターの間隔Tmonitorなどはlaser.txtにある。
  結果：
  
  
• 42: ストリップ応答一様性の測定
  ATLAS用のモジュールは様々な品質試験をパスしなくてはならないが、電気的 テストはIV特性を除いてすべてテストパルスによるものである。実際に各ストリップ にレーザーを入れて信号を観測することで、センサー自体を含めた総合的な評価 が可能となる。
  特定のストリップに移動するためにはモジュール位置の 較正が必要で、これは既に完了しているものとする。
  マクロ：.x Noise.xpp(0)または.x Noise.xpp(1)
  データ：Noise_0.fit または Noise_1.fit
  説明：モジュールを設置したら、ノイズのデータを取り、測定面が表面か裏面かに 対応して（0または1）その面のノイズの50%点をフィットし以下の一様性の評価に 用いる。 測定面に対応してNoise_0.fitまたはNoise_1.fitのファイルが 作成される。
  マクロ： XTThresh_scan(0,1,1000,25,100)
  データ： XTThresh_scan日付時刻.dat
  説明：最初のパラメータ０は表側の測定を意味する（裏側の測定は１）。strip 1-1000 までの閾値曲線を取るが、このような大きな数字の場合は最大値|は768に設定し直さ れる。裏側の場合もstripは1から768までの範囲である。ストリップの中心から 25umずれた位置で100eventsでの閾値曲線を取る。
  結果：テストモジュール３３；HV＝１５０V