Layout and Performance of HPK Prototype LGAD Sensors for ...
Study of LGAD with high timing resolution for ILD
Transcript of Study of LGAD with high timing resolution for ILD
Study of LGAD with high timing resolution for ILD
M.KuharaA ,
T. SueharaA, K. KawagoeA , T. YoshiokaB, Y. KatoC
T.OnoeA, S. TsumuraA
(Kyushu Univ.A, RCAPPB, The Univ. of TokyoC)
1
ILD and ECAL
ILD (International Large Detector)
Detector to be placed at the collision point of the ILC
Main components: Vertex, TPC, ECAL, HCAL, Coil
SiW-ECAL
Sandwich calorimeter (30 layers)
Absorption layers:Tungsten
Detection layers:Si(Pixel size: 5 × 5 𝑚𝑚2 )
or Scintillator
24 radiation length in total
2
ECAL 5.5 mm x 256 pixels,
9 x 9 cm / sensor
Vertex
Particle ID of hadrons and timing resolution
Particle ID of hadrons
Only measurement of 𝑑𝐸/𝑑𝑥 and momentum
• ID of K/π ~ 3σ ID of K/p < 2σ
• There exists momentum ranges where we can’t identify: 1-3 GeV
Better separation power can be obtained by adding Time-of-Fright (ToF)
Possible to separate (5σ) p/K up to 4 GeV by 20 psToF with 𝑑𝐸/𝑑𝑥
Timing resolution and momentum range
ECAL with standard Si: ~100 ps up to 3 GeV (3 σ)
LGAD: 20−30 ps up to 5 GeV (3 σ)
→we are planning to use LGAD to replace sensor of a part of ECAL
3
When adding
100 ps ToF
measurement
to 𝑑𝐸/𝑑𝑥
When adding
20 ps ToF
measurement
to 𝑑𝐸/𝑑𝑥
LGAD (Low Gain Avalanche Detector)
Silicon sensor with internal avalanche multiplication mechanism
Studies of LGAD in ATLAS group have achieved timing resolution of about 30 ps
Type of LGAD
4
Reach-through type
Multiplication area is not uniformly formed
Amplification ratio depends on the hit position
of the particle
Inverse type
Multiplication area is uniformly formed on the N+ side
Uniform response is expected regardless of the hit position
Multiplication area
Multiplication area
Test beam
Test beam 16-19 Feb. 2021 at ELPH, Tohoku University
• Positron beam, ~700 MeV
• Main purpose:Study of timing measurement of Avalanche photo diode (APD has the same structure as LGAD)
APD: S8664-50K
- Inverse type - single cell - Hamamatsu
- Size: Φ 5 mm - breakdown voltage 𝑉𝑏𝑟 : 400 V
• Set up
5
Test board with Skiroc2-CMS ASIC
Sensor
APDSkiroc2-CMS
Measurement with Skiroc2-CMS
ASIC for reading signals of silicon sensor
TOA (Time Of Arrival)
Timing information between the triggered
time and the next internal clock
ADC
13 cells waveform digitizer at 50 MHz
ring buffer
6
Pre AMP
Slow shaper
Fast shaper
Result of timing resolution and jitter
Timing correlation of two APDs
(detail result: S.Tsumura’s talk)
• Correlation corresponds to ~200 psec in sigma when signal charge > ~60 fC
• Jitter of Skiroc2-CMS are large in the lower signal strength
Jitter:Errors caused by ASICs, test boards etc.
• set up for measurement of jitter
• Jitter of Skiroc2-CMS are large in the lower signal strength
→electronics with small jitter is in preparation
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Without sensor
With sensor
Timing correlation of two APDs (signal charge > ~60 fC)
For achieve high timing resolution
• Timing resolution ≅ (rising time)/(S/N ratio) + digitization jitter + Landau noise + timewalk
noise of Skirock2-CMS is large
rising time of Skiroc2-CMS fast shaper is large: 5 nsec
• Value of S/N ratio ~250 required for 20 ps timing resolution equivalent to 600e- noise too difficult
• Fast shaper can be faster but S/N degraded (need detailed study)
Digitization jitter of Skiroc2-CMS: ~30 ps
Landau noise: waveform changes depending on whether energy deposit occurs
more on the upper side or lower side of the sensor.
Timewalk can be corrected (S.Tsumura’s talk)
• Noise reduction by better HV treatment
• However, to achieve timing resolution 30 ps by noise reduction is difficult… need another reading system
8
Timing measurement with discrete amplifier
LGAD amplifier board by K.Nakamura(KEK)
3 GHz amp
total gain100
Rising time
~1 nsec
8.4 psec timing resolution obtained
at a single-sensor test with different thresholds
of discriminator and timewalk correction
Connection of stacked APDs (for test beam)
is under preparation 9
Set up for measurement timing resolution
LGAD
Plans at next test beam
6-8 Oct. 2021 at ELPH, Tohoku University
• 3 days × 12 hours positron beam: ~700 MeV
• Test of reach-through and inverse type sensors
• Noise reduction and preparation of electronics with small jitter
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APD No. type 𝑉𝑏𝑟 [V] Size [mm]
S8664 Inverse 400 3φ, 5φ
S5344,S5355 Inverse 160 3φ, 5φ
S2384,S2385 Reach-through 160 3φ, 5φ
S6045 Reach-through 220 3φ, 5φ
S8550-02 Inverse 400 16×2 cells
Multi-cell APD
(S8550-02)
https://www.hamamatsu.com/jp/ja/product/type/S8664-50K/index.html
https://www.hamamatsu.com/jp/ja/product/type/S8550-02/index.html
Set up
Single-cell APD
(S8664-50K)
Summary
• LGAD have high timing resolution
• Test beam in February
Obtained timing resolution of inverse type APD (S8664-50K): ~ 200 ps for signal with ~60 fC
Jitter of Skiroc2-CMS are large in the lower signal strength
• Preparation for next test beam
Test of reach-through and inverse type APD sensors
Electronics with small jitter is in preparation
Lowering threshold (noise reduction)
Measurement with discrete amplifier
11
Timewalk測定
Timewalk
• 入力された信号の大きさによって生じる時間情報の誤差
• 同じタイミングで入力されたとしても
大きい信号のほうが小さい信号より
閾値を超えるタイミングが早くなるため
時間情報に誤差が生じる
• テストボードを用いてInjection信号の電圧を変えながら
その時のTOAを記録することで、Timewalkを測定
13
TOAと入力信号の電荷の関係から、timewalkが従う指数関数を決定
→実験データのtimewalk補正に使用
TOA rise
TOA fall10 ns
10 ns
結果:ADC 分布
14
各APDでのADCの分布 様々なデータ選択におけるchannel 39でのADC分布
電荷量: ~30 fC
(ADC が 700のとき)
• [右図] 信号(赤)がペデスタル(黒)と明確に分離している→ほぼ100%のヒットが検出可能
• ノイズが多く、トリガー閾値が高い→閾値が低い状態で測定できるようにノイズ対策が必要
Ch36と39にトリガーCh36,39,42すべてにトリガーCh39にトリガー(規格化)
ペデスタル
結果:TOAと時間分解能
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• 信号(ADC)が小さいとき、センサーやASICなどのJitterの影響が非常に大きい
→時間分解能が信号が小さいときほど悪い
• 信号が大きくても、今の測定では十分な時間分解能を得られていない
800<ADC<900 900<ADC<1200 1200>ADC
Ch36 と Ch39 のTOAの相関
Std_dev / 2 = 750.2 ps Std_dev / 2 = 266.7 ps Std_dev / 2 = 242.6 ps
Ch 39 vs Ch 42 1200>ADC
Std_dev / 2 = 171.6 ps
粒子識別:質量の計算方法
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データ
single particle PDG=211 (𝜋+)と PDG=321(𝐾+)
ILDのシミュレーション
ILC soft : v01-19-04
エネルギー
1 , 2 , 5 , 10 GeV
各10,000 イベント
ヒット点
磁場
カロリメーター
𝑝, 𝑡1
𝑡2
シミュレーションデータから計算した質量分布を用いて、粒子識別を行う
ヒットしたときの時間𝑡2にGaussianで誤差を導入して、測定器の時間分解能としている
質量 𝑚の計算
𝑚 =𝑝
𝛽𝛾
𝛽 =𝑙1
𝑐𝑡1, 𝛾 =
1
1−𝛽2
𝑝 ∶ ①での粒子の運動量𝑙1 : IP①の粒子の経路長ҧ𝑡1: ①での時間の平均
粒子の経路
IP① らせん軌道 𝑙1
カロリメータ内の経路 𝑙𝑚𝑒𝑎𝑛
①での時間の平均 ҧ𝑡1
IPから①に進む間の時間
𝑡1 = 𝑡2 − 𝑙𝑚𝑒𝑎𝑛/𝑐 の分布から、
エントリー数が最大の𝑡1 ± 3σの範囲で
𝑡1の平均を求めた
ഥ𝑡1 =σ𝑛 ∙ 𝑡1σ𝑛
磁場
粒子はシャワーを起こす
1 ps 10 ps 20 ps 50 ps 100 ps
95.6 92.9 90.5 76.8 69.7
93.6 93.2 91.0 85.0 75.5
94.7 93.0 90.7 80.7 72.5
時間分解能
5 GeV
時間分解能と粒子識別能力
• 粒子の質量を計算し、𝜋+と𝐾+の質量分布を求める
• 𝜋+(理論値約 0.139 GeV)の質量分布では閾値より小さいもの、
K+(理論値約 0.494 GeV)の質量分布では閾値より大きいものを
正しく識別できたとみなす
• accuracyが一番大きくなる閾値を探し、その時のefficiencyを計算
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𝜋
𝐾Efficiency
Efficiency
accuracy
1 ps 10 ps 20 ps 50 ps 100 ps
82.3 81.4 65.8 56.4 72.6
66.9 65.1 73.4 69.6 46.7
74.7 73.3 69.6 62.9 59.7
時間分解能
10 GeV
𝜋
𝐾Efficiency
Efficiency
accuracy[%]
𝑎𝑐𝑐𝑢𝑟𝑎𝑐𝑦 =𝑇𝜋 + 𝑇K
𝑇𝜋 + 𝑇K + 𝐹π + 𝐹𝐾
𝜋 ∶ 𝐸𝑓𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑦 =𝑇𝜋
𝑇𝜋 + 𝐹𝐾
𝐾 ∶ 𝐸𝑓𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑦 =𝑇K
𝑇K + 𝐹π
𝑇𝜋𝐹𝐾
threshold
• 5 GeV: 20 psの分解能があれば、90 %のEfficiencyで𝜋/𝐾を識別可能→LGADを用いることで識別できる可能性
• 10 GeV: 10 psで80 %ほどの𝜋が識別→粒子の経路の推定をより正確にする必要がある
• 現在、深層学習を用いて粒子経路の推定をするシステムを開発中
質量分布の一例(5 GeV)
質量の計算方法 粒子の飛程
18
荷電粒子の経路
IP ① らせん軌道 𝑙1 と、
①② 直線軌道と近似 𝑙2
に分けて考える
• 𝑙2 > 400 mmのヒットはカット
(カロリメータの厚みは200 mmほど)
𝑥 [𝑚𝑚]
𝑦 [mm] ①の位置
IP
カロリメータの位置(IPから1800 mm)にヒットがある
𝑙1の長さ
𝑙1 [𝑚𝑚]
𝑙2の長さ
使用したデータ
single particle PDG=211 (𝜋+) and PDG=321(𝐾+)
ILD 検出器の
シミュレーションデータ
ILC soft : v01-19-04
エネルギー
1 , 2 , 5 , 10 GeV
1GeV π 1GeV π
質量の計算方法
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ヒットしたときの時間𝑡2にGaussianで誤差を導入して、
測定器の時間分解能としている
①での時間の平均 ഥ𝑡1
IPから①に進む間の時間 𝑡1 = 𝑡2 −𝑙2
𝑐の分布から、
エントリー数が最大の𝑡1 ± 3𝜎の範囲で𝑡1の平均を求めた
ഥ𝑡1 =σ𝑛 ∙ 𝑡1σ𝑛
質量 𝑚の計算
𝑚 =𝑝
𝛽𝛾
𝛽 =𝑙1
𝑐𝑡1, 𝛾 =
1
1−𝛽2
𝑝 ∶ ①での粒子の運動量
𝑡1 [ns]
エントリ|数𝑛
±3𝜎
1 binの幅 = 測定器の時間分解能(時間分解能1 psの時のみ、Bin幅が小さすぎると最大値が正しく取れないため、bin幅を10 psに設定)
±3 binsを使って平均 = ±3 𝜎の範囲で平均
粒子の質量分布
1,2,5,10 GeVの𝜋+とK+の質量
分布のピークの値は、
エネルギーが大きくなるほど
大きくなってしまう
(真値 𝜋+: 139 MeV K+:494 MeV)
1 GeVは最も真値に近い
時間分解能を考えなければ
1~5 GeVまでは𝜋+とK+が
分離されている
10 GeVは分布が広がっており
分離がよくない
20
1 GeV 2 GeV
5 GeV 10 GeV
20
𝜋+
𝐾+
138 MeV
146 MeV
244 MeV
482 MeV
499 MeV
505 MeV
540 MeV
664 MeV
𝜋+
𝐾+
𝜋+
𝐾+
𝜋+
𝐾+
時間分解能 1 ps
1, 2 GeV時間分解能の違いによる質量分布の比較
時間分解能 1 psと100 psの比較
時間分解能が悪くなると、
ピーク位置が真値より大きい値に
(真値 𝜋+: 139 MeV K+:494 MeV)
時間分解能が100 psでも、
𝜋+と K+の分離はされている
100 psは、LGADを使わなくても
達成可能と想定している
21
1 GeV ∶ 1 ps 2 GeV ∶ 1 ps
1 GeV ∶ 100 ps 2 GeV ∶ 100 ps
21
𝜋+
𝐾+
138 MeV
146 MeV
167 MeV
240 MeV
499 MeV
505 MeV
516 MeV 546 MeV
𝜋+
𝐾+
𝜋+
𝐾+
𝜋+
𝐾+
5 GeV時間分解能の違いによる質量分布の比較
5 GeV ∶ 20 ps
5 GeV ∶ 50 ps
5 GeV ∶ 1 ps𝜋+
𝐾+
319 MeV
461 MeV
244 MeV580 MeV
657 MeV
540 MeV
𝜋+
𝐾+
𝜋+
𝐾+
時間分解能 1 ps, 20 ps, 50 psの比較
時間分解能が悪くなると、
分布が広がってしまう
時間分解能が 20 psあれば、
𝜋+と K+はある程度分離される
時間分解能が50 ps, 100 psになると、
分布が広がってしまい、
分離が悪くなる
LGADを使うことで分離される
可能性
22
5 GeV ∶ 100 ps𝜋+
𝐾+
559 MeV 722 MeV
10 GeV質量分布が分離しない原因
2323
𝛽 =𝑙1
𝑐𝑡1の分布に広がり
𝜋0 → 𝛾𝛾 →電磁シャワー
から来る電磁シャワーが多く、
𝑡1の平均値を考える際に、
最大エントリー数を持つbinを
軸に考えると正しい値が取れない
平均値の算出方法の改良が課題
10 GeV
482 MeV664 MeV
𝜋+
𝐾+
𝜋+ 1 ps
𝛽
𝐾+ 1 ps
𝑡1 [ns]
𝐾+ 1 psでの𝑡1の一例
電磁シャワーが多く、最大エントリー数のBinを正しく選べない
𝑡1の一例
電磁シャワー
時間分解能と粒子識別能力
• 𝜋+(理論値約 0.139 GeV)の質量分布では閾値より小さいもの、
K+(理論値約 0.494 GeV)の質量分布では閾値より大きいものを正しく識別できたとみなす。
• accuracyが一番大きくなる閾値を探し、その時のefficiencyを計算
24単位: %
Efficiency
𝜋
𝐾
𝜋
𝜋
𝐾
𝐾
𝑇𝜋 𝐹𝜋
𝐹𝐾 𝑇𝐾
𝜋+
𝐾+
𝑇𝜋
𝐹𝐾
閾値
𝑎𝑐𝑐𝑢𝑟𝑎𝑐𝑦 =𝑇𝜋 + 𝑇K
𝑇𝜋 + 𝑇K + 𝐹π + 𝐹𝐾
𝜋の 𝐸𝑓𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑦 =𝑇𝜋
𝑇𝜋 + 𝐹𝐾
𝐾の 𝐸𝑓𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑦 =𝑇K
𝑇K + 𝐹π
真の結果
予測結果
accuracy 1 ps 10 ps 20 ps 50 ps 100 ps
1 GeV 96.00 95.90 96.09 96.33 96.00
2 GeV 96.71 96.49 96.43 96.17 95.63
5 GeV 94.07 93.56 88.62 72.84 66.44
10 GeV 74.10 71.02 65.11 59.46 57.98
Accuracy
Optimization of path length
25
𝜋+
𝐾+
𝒍𝟑
①
②
③
𝑙3:①→② + ②→③𝑙𝑚𝑒𝑎𝑛 = (𝑙2 + 𝑙3)/2
Mass calculated with 𝑙3 Mass calculated with 𝑙𝑚𝑒𝑎𝑛
𝜋+
𝐾+
𝜋+
𝐾+
←7000 ←5500Mass calculated with 𝑙2
𝜋+
𝐾+
𝑙2 is underestimate as path length in calorimeter
and caused tail of mass distribution.
Calculate mass with 𝑙3 and 𝑙𝑚𝑒𝑎𝑛
𝑙3 is overestimate.
Separation power with 𝑙𝑚𝑒𝑎𝑛
・Better estimation of path length leads to better K/𝜋 separation.
5 GeV:Accuracy greatly improved especially at 50 and 100 ps.
10 GeV: Improvement seen but smaller than 5 GeV
• More intelligent estimation of the path length using shower-shape information is desired.
26
Improvement!
Layers with different time resolution
Mass distribution calculated with 𝑙𝑚𝑒𝑎𝑛
Set the time resolution of only certain 5 layers to 20 ps (LGAD)
Time resolution of other layers is 100 ps (Si sensor)
・Inner layers: less hits, but mostly track-like hits less contamination
・Middle layers: more hits by showers more statistics, but more contamination
・Outer layers: hits with larger position spread may suffer from path length error
With current algorithm, use of LGAD at inner or middle layers
should give reasonable improvements of the separation.
Better estimation of the path length and cut on contamination
may lead to different dependence need further studies
27
𝜋+ 5 GeV
𝐾+ 5 GeV
20 ps layer all layer 1-5 layer 11-15layer 21-25layer no layer
efficiency[%] 90.46 77.23 80.86 69.14 69.74
efficiency[%] 90.96 73.29 70.86 74.13 75.53
accuracy[%] 90.7 75.32 76.03 71.55 72.54
threshold[GeV] 0.33 0.33 0.33 0.25 0.44
5 GeV
𝜋
𝐾
20 ps layer:
All layers
1~5 layers
11~15 layers
21~25 layers
no (All layers 100 ps)
20 ps layer:
All layers
1~5 layers
11~15 layers
21~25 layers
no (All layers 100 ps)
IP
The reason why the mass distribution cannot be separated [10 GeV]
2828
Distribution of 𝛽 =𝑙1
𝑐𝑡1is wide…
𝜋0 → 𝛾𝛾 → electromagnetic shower
with many (delayed) hits
Improvement of calculation method
of average value is necessary
(to be done).
10 GeV
482 MeV664 MeV
𝜋+
𝐾+
𝜋+ 1 ps
𝛽
𝐾+ 1 ps
𝑡1 [ns]
𝑡1の一例
Electromagnetic
shower
One case of 𝑡1 (𝜋+ 1 ps)The maximum bin
due to a secondary
electromagnetic shower
mis-reconstruction of
timing
2次粒子のカットの有無による違い
• MC情報で、𝜋+と K+のみを選び、2次粒子が作ったヒットをカット
• カットを加えた結果を青、カット無しの結果を黄色で示す(今までのヒットごとの結果はカット無)
• 二次粒子由来のヒットを排除する方法を考える必要がある
30
𝜋+
𝐾+
1 GeV 2 GeV 5 GeV 10 GeV
それぞれのefficiency, accuracy, threshold
• それぞれのエネルギー、時間分解能でのefficiencyとthreshold [GeV]とaccuracy
32
1 ps 10 ps 20 ps 50 ps 100 ps
pi_effi 0.9785 0.9801 0.9793 0.9761 0.9713
k_effi 0.9325 0.9278 0.9337 0.9444 0.9432
accuracy 0.9600 0.9590 0.9609 0.9633 0.9600
threshold 0.37 0.38 0.38 0.36 0.35
pi_effi 0.9896 0.9908 0.9882 0.9864 0.9842
k_effi 0.9405 0.9342 0.9361 0.9325 0.9233
accuracy 0.9671 0.9649 0.9643 0.9617 0.9563
threshold 0.37 0.41 0.39 0.41 0.44
1GeV
2GeV
1 ps 10 ps 20 ps 50 ps 100 ps
pi_effi 0.9242 0.9246 0.8431 0.6417 0.6536
k_effi 0.9583 0.9473 0.9322 0.8210 0.6759
accuracy 0.9407 0.9356 0.8862 0.7284 0.6644
threshold 0.40 0.44 0.44 0.48 0.6
pi_effi 0.7815 0.7672 0.7823 0.6119 0.5978
k_effi 0.6998 0.6524 0.5180 0.5770 0.6631
accuracy 0.7410 0.7102 0.6511 0.5946 0.5798
threshold 0.57 0.59 0.77 0.91 0.96
5GeV
10GeV