システム構成¶

全体構成¶

パルスレーザーの光を偏波保持ファイバーで暗室内に導き、対物レンズでセンサー表面に集光します。センサーを載せた読み出しボードは 3 軸ステージの上にあり、ステージを動かして照射位置を走査します。読み出しは C1–C4 の 4 本のストリップで、ボード上のアンプを通してオシロスコープの DC 50 Ω 入力へ入れます。時刻の基準はレーザーの TRIG OUT で、オシロの外部トリガー (EXT) に入れます。全機器は制御 PC の GUI から操作します。

flowchart LR
    subgraph DARK["暗室（部屋全体）"]
        OBJ["対物レンズ<br/>PAL-50-NIR-L (50×)"]
        DUT["AC-LGAD ストリップ<br/>on FNAL 16ch ボード"]
        STG["3 軸ステージ<br/>SHRC-203"]
        CAM["フォーカスカメラ (USB)"]
    end
    LAS["PiLAS DX<br/>1064 nm / 50 ps"] -->|PM ファイバー FC/APC| OBJ
    OBJ -->|IR スポット| DUT
    STG -.- DUT
    DUT -->|"C1–C4 (GALI-S66 ×2 段)"| OSC["LeCroy WavePro 804HD<br/>DC 50 Ω"]
    LAS -->|TRIG OUT → EXT| OSC
    HV["HV −190〜−195 V<br/>Matsusada P4L650-0.1"] --> DUT
    LV["LV 6.0 V<br/>R&S NGP800"] --> DUT
    PC["制御 PC (Windows)<br/>laser_gui"]
    PC ---|LAN| OSC
    PC ---|LAN| STG
    PC ---|"USB 仮想 COM (COM5)"| LAS
    PC ---|USB| CAM

写真¶

暗室の全景 — 暗室（部屋全体）の中の測定台。左にオシロ、中央奥にファイバーと光学系、右にステージ

測定台の近景。左からオシロ、ファイバー・光学系、対物レンズとステージ。手前はジョイスティック JS-301

対物レンズと読み出しボード — 50 倍対物レンズ（PAL-50-NIR-L）と、ステージ上の読み出しボード

ステージ上の読み出しボード — ステージ上の固定ジグに差し込んだ読み出しボード。手前の MCX–BNC ケーブルに CH のラベル（ch5, ch8 など）

各機器¶

PiLAS のレーザーヘッド。「CLASS 1 LASER PRODUCT」のラベル

レーザーコントローラ — PiLAS コントローラ（暗室の左奥）。右下の鍵で電源 ON

ジョイスティック JS-301。M-ORG で原点復帰できるが、GUI の [機械原点復帰 (H:W)] を使う（理由）

オシロスコープ LeCroy WavePro 804HD（暗室の左側）。電源ボタンは左下

カメラ用照明 — カメラ用可視光の光源。右下の赤いスイッチで ON/OFF。**測定中は必ず OFF**

構成機器¶

機器	型番・仕様	本測定での設定・実測
レーザー	NKT Photonics PiLAS DX（ヘッド NPIL1-106-40FC、コントローラ EGI-D2-40）。波長 1064 nm（試験成績 1063.4 nm）、パルス幅 50 ps、繰り返し 40 MHz まで可変、トリガージッター < 3 ps rms	強度は TUNE [%] で調整（0 % が最強、100 % が最弱）
ファイバー	偏波保持シングルモード（PANDA 型）、FC/APC	—
対物レンズ	OptoSigma PAL-50-NIR-L：50 倍、NA 0.45、作動距離 15.1 mm、焦点距離 4 mm（10 倍の PAL-10-NIR-A もあるが、切り替えて使うことはない）	スポット σ ≲ 1.2 µm（焦点上）
ステージ	OptoSigma SHRC-203（3 軸、5 相ステッピングモーター）、ジョイスティック JS-301	2 µm/pulse（X・Y・Z、実機確認済み）
オシロスコープ	Teledyne LeCroy WavePro 804HD（8 GHz、12 bit）	10 GS/s、シーケンスモード 2000 セグメント/点、50 mV/div、DC 50 Ω
センサー	HPK 製ストリップ型 AC-LGAD：ピッチ 500 µm、金属電極幅 50 µm、露出長 9318 µm、厚さ 50 µm、n+ シート抵抗 1600 Ω/□、結合容量 600 pF/mm²。6 本（C0–C5）のうち C1–C4 を読み出し	HV −190〜−195 V（センサー温度 33 °C のとき）。冷却はしない
読み出しボード	FNAL 16 チャンネルボード。ストリップごとに Mini-Circuits GALI-S66 を 2 段。固定ジグに差し込んで載せる	LV 6.0 V
信号ケーブル	MCX–BNC、長さ 75 cm	見たいチャンネルに合わせて、ボード側の接続先を変える
LV 電源	Rohde & Schwarz NGP800 シリーズ	6.0 V（手動操作）
HV 電源	Matsusada P4L650-0.1	−190〜−195 V（手動操作、温度によって変える。上限 −220 V）
フォーカスカメラ	USB カメラ（手動フォーカスレンズ、オートフォーカス非対応）	OpenCV で取得、デバイス番号 0
制御 PC	Windows、Python 3.10 以上。16:9 横長モニター（EX-LDHU431DB）向けに GUI を配置	機器との LAN は固定 IP

電源とスイッチ¶

各機器の電源は、どの順番で入れてもかまいません。ただし センサーのバイアスは一番最後に、LV → HV の順 でかけます。

機器	場所	操作
レーザー（PiLAS コントローラ EGI-D2-40）	左奥	鍵を右にひねって ON。発振は基本的に GUI の [発振 ON (ld=1)] / [発振 OFF (ld=0)] で操作する。暗室内で作業したいときは本体の赤色ボタンで発振を操作する
ステージコントローラ SHRC-203	作業台の下	本体右下のスイッチ
カメラ用可視光（照明）	右上側	本体右下のスイッチ。測定中は必ず OFF
オシロスコープ	暗室の左側	左下の電源ボタン
LV 電源（R&S NGP800）	オシロスコープの下の台の左側	左下のボタンで ON → CH1 に設定 → OUTPUT ボタンで出力 ON（青色に点灯）。6 V 固定、電流制限 1.0 A
HV 電源（Matsusada P4L650-0.1）	オシロスコープの下の台の右側	スイッチで電源 ON/OFF → 一番上の黒ボタンで HV を SET → 赤ボタンでバイアス ON。昇圧は電源が自動で行う。上限 −220 V、電流制限 1.0 mA

LV 電源（出力 OFF） — LV 電源（R&S NGP800）。出力 OFF の状態

LV 電源（出力 ON） — LV 出力 ON（CH1：6.000 V、約 0.47 A）。OUTPUT ボタンが青く点灯

HV 電源（出力 OFF） — HV 電源（Matsusada P4L650-0.1）。バイアス OFF の状態

HV 電源（バイアス ON） — バイアス ON（表示 189.8 V、電流表示 0.0 mA が正常）。左下の赤ボタンでバイアス ON

電流の目安：電流制限は HV 1.0 mA、LV 1.0 A に設定済みです。正常なときの電流は、HV が 0.4〜5 µA 程度（バイアス電圧に依存。電源の表示は 0.0 mA）、 LV が約 0.450 A です。これから大きく外れていたら、バイアスを OFF にして原因を確認してください。

終了時 は、制御 PC 以外の電源（暗室内の機器すべて）を切ります。制御 PC はリモート操作のため電源を入れたままにします。

読み出しボードの載せ替え¶

読み出しボードは固定ジグに差し込んで載せます。最初は経験者に取り付けてもらうことを勧めますが、特に危険な作業ではありません。

レーザーを [発振 OFF (ld=0)] にし、HV のバイアスを OFF にする。降圧は電源が自動で行うので、HV の表示が 0 V になったのを確認してから LV の OUTPUT を OFF にする。
MCX–BNC ケーブルを外す。
赤色の固定棒（下の写真のボード両端の赤いピン）は手では取りにくいので、細いペンチで引き抜く。このとき センサーと対物レンズを傷つけないよう注意 する。
ボードを固定ジグから抜き、新しいボードを差し込む。ボードにテープなどが貼られていると差し込みにくいので、はがしておく。
見たいチャンネルに MCX–BNC ケーブルをつなぐ。
GUI で、そのセンサーを選ぶ（新しいセンサーなら登録）。載せ替え後は位置が変わるので、フル較正を行う。

固定ジグと赤い固定棒 — 固定ジグに差し込んだボード。両端の赤いピンが固定棒。真上に対物レンズがあるので、抜くときに当てない

ボードと信号ケーブル — ボードの MCX 端子と MCX–BNC ケーブル。ケーブルのラベルで CH を確認する

接続とアドレス¶

GUI が制御する機器は 4 台で、画面のパネル 1 枚が機器 1 台に対応します。既定値は config.py にあり、 PC ごとの違いは config_local.json で上書きします（制御 PC とソフトウェア）。

パネル	機器	接続方式	既定アドレス
オシロスコープ	LeCroy WavePro	LAN。VICP（既定）または VXI-11。接続時に `*IDN?` の応答を確かめ、失敗したらもう一方を自動で試す	`VICP::<オシロの IP>::INSTR`
ステージ	SHRC-203（3 軸）	LAN (TCP) または RS-232C。SHOT 互換コマンド、デリミタ CRLF	`<ステージの IP>:<ポート>`
レーザー	PiLAS DX（EGI-D2-40）	USB 仮想 COM ポート（19200 baud、8N1、CR 終端）。FTDI VCP ドライバが必要	`COM5`
カメラ	フォーカスカメラ	USB。OpenCV（Windows では DirectShow を優先）	デバイス番号 `0`

各機器の IP アドレス・ポート・ユーザー名は内部情報（パスワード付き）にあります。
制御 PC と機器は同じセグメントの LAN にあります。制御 PC の サブネットマスクは 255.255.255.0 にします（255.255.255.255 にすると同じセグメントの機器にも直接届かず、ステージが応答しなくなります。トラブルシューティング）。
オシロスコープは、レーザーの TRIG OUT を外部トリガー (EXT) に入れて同期させます。
オシロのデータは SSH/SFTP で PC に回収します（ユーザー名は内部情報。パスワードは問い合わせ先に聞いてください）。

読み出しチャンネルの対応（標準センサー）¶

オシロ CH	ボードのパッド	ストリップ	電極中心 Y（論理座標）
C1	J8	C1（基準 CH）	0 µm
C2	J7	C2	−500 µm
C3	J6	C3	−1000 µm
C4	J5	C4	−1500 µm

C0（+500 µm）と C5（−2000 µm）は読み出していない外側のストリップです。信号は MCX–BNC ケーブル（75 cm）でオシロにつなぎ、見たいチャンネルに合わせてボード側の接続先を変えます。この対応はセンサープロファイルごとに設定でき、GUI のステータスバーとオシロパネルの CH ラベルに表示されます。

時間の基準¶

到達時刻は、オシロの各セグメントのトリガー時刻（LeCroy の TRIGTIME）を原点に測ります。 TRIG OUT を基準にした時間分解能には、レーザー同期とデジタイザのジッターが全チャンネル共通の床 \(\sigma_\text{ref} \approx 12.5\) ps として入ります。2 ストリップの時刻差ではこの床は消えます。

horiz_offset を時刻原点に使わない

.trc ファイルのヘッダーにある horiz_offset は 1 サンプル周期内の乱数なので、時刻原点に使うと約 29 ps の偽のジッターが乗ります。ROOT 変換したファイルでは trig_offset ブランチを使ってください。

セットアップの性能（参考）¶

解析ノート matome の実測値です（数値はすべて preliminary）。

項目	値
スポット径	σ ≲ 1.2 µm（焦点上、金属端の誤差関数フィット）。焦点から 6–10 µm ずれると 1.3–1.5 µm
レーザー強度の安定性	1.3 %/h 程度のドリフト、全期間で ±2–3 %
ベースラインノイズ	RMS 約 1.7 mV（S/N 約 40）
ステージの再現性	ストリップ中心の直線フィット残差 RMS 1.8–2.6 µm
共通の時間の床	\(\sigma_\text{ref} = 12.5 \pm 0.5\) ps