JP2916218B2 - シリコンストリップ検出器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ 〔産業上の利用分野〕 本発明は、高エネルギーの粒子同志が衝突することに
よって発生した荷電粒子の通過位置の検出に用いること
のできるシリコンストリップ検出器に関する。

〔従来の技術〕

現在、素粒子物理学の分野では、高エネルギーの粒子
同志を衝突させて、これによって発生する荷電粒子を分
析することによって物理的原理を解明する研究が盛んに
行われつつある。

この様な荷電粒子の計測において、衝突の際に飛散す
る無数の荷電粒子の通過位置を検出することは、荷電粒
子を分析する上で重要覆な手段である。そこで、従来よ
りこの種の荷電粒子の計測用としてに考えられている検
出器として、シリコンストリップ検出器がある。このシ
リコンストリップ検出器は、従来の放射線計測用ワイヤ
チェンバーの機能をシリコン基板上に実現した検出器で
あり、10cm四方程度のシリコン基盤上に数十μｍの幅で
1000本程度のラインセンサを設けたものである。

かかるシリコンストリップ検出器の構成例を第５図に
示す。

このシリコンストリップ検出器は、シリコン基板１に
約1000本のラインセンサ２が形成されていて、これら各
ラインセンサ２の出力端に増幅器３がそれぞれ接続され
ている。さらに、各増幅器３には各々ノイズ成分をカッ
トするためのディスクリ部４が接続され、各ディスクリ
部４から出力される信号はコネクタ５を介して基板外部
へ取出される。コネクタ５はラインセンサ２の数に対応
した数の外部接続ケーブル６を介して、信号処理回路系
（不図示）と接続されている。そして、シリコン基板１
の有感部（センサ形成領域）の所定箇所を荷電粒子が通
過すると、その通過位置近傍のラインセンサ２の出力が
ハイレベルとなって、このパルス信号がコネクタ５を介
して信号処理回路系へ伝送される。信号処理回路系で
は、各ラインセンサ２からの信号をアナログマルチプレ
クスして取込み、入力のあったラインセンサ２とその信
号を検出した時間とから荷電粒子の通過位置を検出す
る。

この様なシリコンストリップ検出器を高エネルギー粒
子の衝突領域に多数配置しておくことによって、発生し
た荷電粒子の通過位置を高精度に検出できるものとな
る。

この様なシリコンストリップ検出器では、ラインセン
サ２から出力される信号は極めて微弱な数μｓ幅のパル
ス信号であり、この様な信号を例えば10cmオーダーの検
出器から約1000チャネルにも及び測定系のデータをいか
に取出すかが重要な問題となる。

ところが、第５図に示すように、ラインセンサ２の各
々に対応して約1000本にも及び接続ケーブル６を基板上
のコネクタ５に接続して、これによって外部へ取出して
いたのでは、極めて実装性が悪く検出器自体も大型化し
てしまうという欠点がある。また、シリコンストリップ
検出器が配置される環境条件は、強磁場中であることか
ら、1000本にも及ぶ接続ケーブル６がこの様な環境下に
おかれることとなり検出信号にノイズが重畳する可能性
が極めて高く、データの信頼性が低下する可能性があ
る。さらに、極めて多数の接続ケーブルが必要となるこ
とからコストアップにつながる。

また、1000個にも及ぶ多数の信号を順次マルチプレク
スして取り込んでいたのでは、あるラインセンサを選択
しているときには他のラインセンサのデータは欠測状態
となり変化の早い現象を連続監視することができない。

〔発明が解決しようとする課題〕

従って、従来のシリコンストリップ検出器は、実装
性，データの信頼性，経済性が低く、しかもデータの欠
測が生じる可能性があり、荷電粒子の通過位置を高精度
に検出するのは困難であった。

本発明は以上のような実情に鑑みてなされたもので、
荷電粒子の通過位置を高精度に検出でき、しかもデータ
の欠測なしに連続監視できて、実装性，データの信頼
性，経済性を向上し得るシリコンストリップ検出器を提
供することを目的とする。

［発明の構成］ 〔課題を解決するための手段〕 本発明は、上記課題を解決するために、シリコン基板
上に多数の測定チャネルが形成された検出器本体を荷電
粒子発生領域に配置し、各測定チャネルの出力信号を信
号処理系で計測して荷電粒子の入射位置を検出するシリ
コンストリップ検出器において、多数の測定チャネルを
複数にグループ化し、各グループに所属する各測定チャ
ネルの各出力信号を所定のサンプリング周期でサンプリ
ングしてサンプリング周期より短い時間内に信号処理系
へ伝送する複数のデータ変換部、及びこの各データ変換
部の動作を制御するコントローラをシリコン基板上に備
えている。

そして、各データ変換部を、自己に入力されるｎ個の
出力信号をコントローラの制御に基づいてサンプリング
周期に対応する一定時間だけ保持するデータホールド部
と、このデータホールド部から一定時間間隔で順次出力
されるｎ個の信号を一つのシリアル信号に変換するパラ
レル／シリアル変換部と、このパラレル／シリアル変換
部から出力されるシリアル信号を光多重化信号に変換す
る光変換部と、この光変換部から出力される光多重化信
号を所定の伝送クロック信号に従って光フイバーを介し
て信号処理系へ送出するデータ伝送部とで構成してい
る。

〔作用〕

本発明は以上のような手段を講じたことにより、ｎ個
の測定チャネルの出力がデータ変換部でデジタルシリア
ル信号に変換され、このデジタルシリアル信号が各測定
チャネルの状態をサンプリングするサンプリング周期よ
りも短い時間内に伝送される。よって、ｎ個の測定チャ
ネルの出力が一つの信号にまとめて伝送されるので接続
ケーブルの本数が大幅に削減され、また各測定チャネル
の状態をサンプリングしている間に伝送されるのでデー
タの欠測が防止される。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について説明する。

第１図は本実施例となるシリコンストリップ検出器の
全体的な構成を示す図である。なお、第５図に示す検出
器と同一機能を有する部分には同一の符号を付してい
る。

本実施例のシリコンストリップ検出器は、有感部を形
成する多数のラインセンサ２をいくつかの領域に分割
し、各領域毎にラインセンサ２の出力をそれぞれ対応す
るデータ変換部11に導いている。データ変換部11の各々
は、接続されているｎ個のラインセンサ２からの信号を
デジタルシリアル信号に変換して、信号処理回路系へ伝
送する機能を有している。このデータ変換部11の動作は
コントローラ12によって制御される。なお、データ変換
部11およびコントローラ12はシリコン基板１上に作り込
まれている。各データ変換部11はそれぞれ光ファイバー
13を介して信号処理回路系に接続されている。

上記データ変換部11の構成を第２図に示す。このデー
タ変換部11は、ｎ個のラインセンサ２からの出力を受
け、その出力値を一定時間保持するフリップフロップ回
路等のレジスタからなるデータホールド部21と、このデ
ータホールド部21にホールドされているｎ個のラインセ
ンサ２出力をパラレル／シリアル変換してシリアル信号
に変換するシフトレジスタ等からなるパラレル／シリア
ル変換部22と、このパラレル／シリアル変換部22から出
力されるデジタルシリアル信号を光多重信号に変換する
光変換部23と、この光変換部23から出力される光多重信
号を所定の伝送クロック信号に従って伝送するデータ伝
送部24とから構成されている。

データホールド部21は、ホールドされているｎ個のデ
ータがコントローラ12からの指令に基づいて所定の周期
でリフレッシュされる。このリフレッシュの周期がｎ個
のラインセンサ２出力のサンプリング周期となり、入力
パルス幅に対応させて５μｓ程度の周期に設定されてい
る。また、パラレル／シリアル変換部22は、データホー
ルド部21でホールドされているｎ個のデータを前記サン
プリング周期以内の周期でシリアル信号に変換する。す
なわち、シリアル信号に変換するのに要する時間は、デ
ータホールド部21でのホールド時間よりも短い時間とな
るようにコントローラ12によって動作制御される。

次に、本実施例の動作について第３図および第４図を
参照して説明する。

ストリップ検出器の有感面を荷電粒子が通過すると、
荷電粒子通過位置近傍のラインセンサ出力は第３図
（ａ）に示すようなパルス信号となる。このパルス信号
はディスクリ部でノイズ成分がカットされてヒット成分
のみが分離されて第３図（ｂ）に示すような信号（この
部分はラインセンサ２を荷電粒子が通過した場所に対応
するので、以下、ヒット信号と呼ぶ）に変換され、この
ヒット信号がデータホールド部21に入力され、その入力
レベルが一定時間ホールドされる。すなわち、各ライン
センサ２における一定時間内での荷電粒子によるヒット
の有無が検知されてデジタル信号として一定時間データ
ホールド部21に記憶される。この時、データホールド部
21へ入力するｎ個のディスクリ出力が順に（10011001
1）の信号であったとする。パラレル／シリアル変換部2
2では、データホールド部21でホールドされているｎ個
のデータをシリアル信号に変換する。このシリアル信号
は光変換部23で光多重信号に変換され、データ伝送部24
から第４図に示すタイミングの伝送クロックに従って伝
送される。この一連の処理は、データサンプリング周期
（５μｓ）以内に行われる。

例えば、ラインセンサ２の数を1000個とし、データ変
換部11の数を10個として、各データ変換部11に100個の
ラインセンサ２を接続する場合には、伝送クロックを25
MHzとすると、４μｓ以内でデータ伝送が完了すること
となり、５μｓのデータサンプリング周期内には十分デ
ータ伝送を完了することができる。

データ伝送部24から伝送されるデータは光ケーブル13
を介して信号処理回路系へ送られる。信号処理回路系で
は各光ファイバ13を介して送られてくるデータを順次受
付けることにより、欠測のない連続したデータが得られ
るものとなる。

また、データ変換部11の数を10個とした場合には、10
00個の測定チャネルに対して、検出器側と信号処理回路
側を接続する光ファイバ13の数は10本となる。

この様に本実施例によれば、ラインセンサ２が形成さ
れているシリコン基板１にｎ個のラインセンサ２の出力
を受けるデータ変換部11を設け、ここでｎ個のラインセ
ンサ出力をシリアル信号に変換し、さらに光多重信号に
変換して光ファイバ13を介して信号処理系へ伝送するよ
うにしたので、ラインセンサ２が形成されているシリコ
ン基板１と信号処理回路系とを結ぶ接続ケーブル数を大
幅に減少することができ実装性を向上できてモジュール
の小形化が可能であり、しかも電気的影響の少ない光伝
送を行っているのでノイズの影響を受けずらくデータの
信頼性を向上することもできる。さらに、ケーブル数を
軽減できることからコストダウンを図ることもできる。

また、各データ変換部では、ｎ個のラインセンサ出力
をデータサンプリング周期よりも短い時間でシリアル変
換して伝送を完了するようにしているので、各測定チャ
ネルを欠測なく連続監視することができる。

さらに、シリコン基板側での信号処理速度は数十MHz
程度で良いため、CMOS等の低消費電力素子を用いた回路
構成とすることができ、回路の発熱を抑えることができ
ると共に、回路のスイッチング動作に起因したノイズを
削減することができる。

その結果、荷電粒子の通過位置を高精度に検出するこ
とができる。

［発明の効果］ 以上詳記したように本発明によれば、荷電粒子の通過
位置を高精度に検出でき、しかもデータの欠測なしに連
続監視できて、実装性，データの信頼性，経済性を向上
し得るシリコンストリップ検出器を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例となるシリコンストリップ検出
器の構成図、第２図は同実施例のデータ変換部の構成
図、第３図及び第４図は同実施例の動作説明図、第５図
は従来のシリコンストリップ検出器の構成図である。 １……シリコン基板、２……ラインセンサ、３……増幅
器、４……ディスクリ部、11……データ変換部、12……
コントローラ、13……光ファイバ、21……データホール
ド部、22……パラレル／シリアル変換部、23……光変換
部、24……データ伝送部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−170688（ＪＰ，Ａ) Ｊａｃｋ Ｔ． Ｗａｌｔｏｎ“ＳＩ ＬＩＣＯＮ ＤＥＴＥＣＴＯＲＳ：ＮＥ Ｗ ＣＨＡＬＬＥＮＧＥＳ” Ｎｕｃ ｌ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ Ｐｈｙｓ．Ｒｅｓ．Ｓｅｃｔ．Ａ Ｖｏｌ．226 Ｎｏ．１ ｐｐ．１− 11（1984) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01T 1/00 - 7/12 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】シリコン基板上に多数の測定チャネルが形
   成された検出器本体を荷電粒子発生領域に配置し、前記
   各測定チャネルの出力信号を信号処理系で計測して荷電
   粒子の入射位置を検出するシリコンストリップ検出器に
   おいて、 前記多数の測定チャネルを複数にグループ化し、各グル
   ープに所属する各測定チャネルの各出力信号を所定のサ
   ンプリング周期でサンプリングしてサンプリング周期よ
   り短い時間内に前記信号処理系へ伝送する複数のデータ
   変換部、及びこの各データ変換部の動作を制御するコン
   トローラを前記シリコン基板上に備え、 かつ前記各データ変換部を、 自己に入力されるｎ個の出力信号を前記コントローラの
   制御に基づいて前記サンプリング周期に対応する一定時
   間だけ保持するデータホールド部と、このデータホール
   ド部から一定時間間隔で順次出力されるｎ個の信号を一
   つのシリアル信号に変換するパラレル／シリアル変換部
   と、このパラレル／シリアル変換部から出力されるシリ
   アル信号を光多重化信号に変換する光変換部と、この光
   変換部から出力される光多重化信号を所定の伝送クロッ
   ク信号に従って光フイバーを介して前記信号処理系へ送
   出するデータ伝送部とで構成した ことを特徴とするシリコンストリップ検出器。