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半導体検出器ＭＰＰＣの
実用化への進展
中平 武 (KEK)
KEK 測定器開発室 光センサーＧ
の皆様
ＭＰＰＣ
MPPCの動作原理・特徴
MPPCのＲ＆Ｄの進展
中性子線による放射線損傷の測定
目的：高エネルギー実験で汎用的につかえるか？
今後の展望
PPD (Pixelated Photon Detector)
ＰＰＤ: 多数の”ガイガーモードAPD+抵抗”が並列接続
 MPPC: 浜松ホトニクスでの製品名
 個々のPixelの動作
• 光子入射e-h対生成Geigerモードで増幅(105~106)
抵抗に電流が流れてAPDの電圧降下Geiger放電停止
• 光量によらず一定波高のパルスを出力 (“binary device”)
 光量が十分小さければ、1pixelに1光子しか来ない
-Vbias
• Geiger放電を起こしたpixel数 ＝ 入射光子数 が成り立つ
 素子の出力は、各ピクセルの“Wired-OR” (アナログ１出力)

• 出力信号の大きさ Geiger放電を起こしたpixel数 = 光子数
• ナイーブにはダイナミックレンジ(最大光子数) < ピクセル数だが….
：磁場中で動作,低動作電圧（~70V）,高検出効率
：素子サイズが小さい, ダークノイズレート（数百ｋＨｚ）,放射線耐性？
1 mm
Si Resistor V
bias
p+
p--epi
Substrate
Guard ring Subst. n++

APD
出力信号
1p.e.
pedestal
output
電荷分布
2p.e.
3p.e.
4p.e.

電荷(波高)が光子数で、高S/N比で量子化されている: “擬デジタル信号”
MPPCの性能のパラメータ
ゲイン
ブレイクダウン電圧:V0
 ガイガー放電を起こすのに必要な電圧
 Vo自体は温度依存性がある. (~50mV/K)
 ノイズを除く特性は、V  Vbias – V0の関数
gain
1p.e.
pedestal
電荷分布
ゲ
イ
ン
Vbias
V0
光子検出効率(PDE)
PDE = egeom Q.E.  egeiger
 egeom: 有感領域の幾何的な効率
 Q.E.: 光子によるe-h対生成の確率
 egeiger: e-h対がGeiger放電を起こす確率
ノイズレート・暗電流
 熱励起によるe-h対生成が、1光子と同じ信号を出力
クロストーク
 なだれ増幅の際に副次的に発生する光子が、隣の
ピクセルに検出される
 1光子が2光子以上として検出される
アフターパルス
 信号を出したピクセルが再度信号パルスを出す.
時間分解能
リカバリータイム
 信号を出したピクセルが、再度信号を出せるようになるまで
の時間
バイアス電圧
eGeiger
Q.E.
egeom
MPPCのR&Dの進展
T2K実験向けにマス・プロダクション開始
15,000ch (~Mar. 2008) 1.31.3mm2
それに先立ち、300個での特性評価。ノイズ以外の特性は、よく揃っている
ILCカロリーメータのビームテストでの使用
~1600pixel : ~5000個
入射光子数がピクセル数を超えても出力が飽和しない
各ピクセルのリカバリー時間<<発光時間
なので、1つのピクセルが複数回 光子を検出
ＭＰＰＣ出力信号の時間特性の理解
リカバリー時間の測定: ~4ns (1600pixel)
アフターパルスの寄与 >> クロストーク
Belle Aerogel-RICH向けR&D
33mm2の性能評価
有効面積の拡大のための光学系(ライトガイド)
放射線耐性
, p, n, 重粒子線(C)
低温(LN2)での動作
中性子照射試験
東大原子炉（”弥生”＠東海村)
平均エネルギー: 0.8~1.5MeV
Flux: 1.5109 n/cm2/Wh
原子炉の出力と暴露時間で照射量
を調整
照射期間
1回目(5/17,18）
• 0.8~3.3108 n/cm2
• 1011 n/cm2, 1012 n/cm2, 1013 n/cm2
炉心
2回目(11/15,16)
• 3108 n/cm2 ~ 31011 n/cm2
T. Nakamura, T. Nakadaira (KEK), K. Miyabayashi, T.Hirai(Nara WU), T.Matsumura(NDA),
S.Tsunoda (TSU), H.Yamasaki, T.Ikuno(Tsukuba),T.Nakagawa, I.Saito(U-tokyo)
放射線損傷後の波形
1.6×108 [n/cm2]照射後のパルス波形（100pixel）
1.00×1011 [n/cm2] 照射後のパルス波形（100pixel）
100pixel: 1.01010 [n/cm2] 以下
400pixel: 1.01011 [n/cm2] 以下
100pixel: 3.01010 [n/cm2] 以上
400pixel: 1.01011 [n/cm2] 以上
照射前と同様にパルスの波高が
離散的。
パルスの波高分布が連続的
光子計数は不可能に.
照射直後の測定では、1010[n/cm2](100pixel)
1011[n/cm2](400pixel)を境に変化がみられる.
※照射中にバイアス電圧がかかっていたか否かで違いは見られなかった.
アニーリング
照射量が1010~1011[n/cm2]場合、照射直後には光子計
数できなかったものが、1週間後の測定では波高分別で
きた.
 MPPCの特性を照射時から経時変化も測定
400pixel, 3×1010 （n/m^2）,Vop,
11/15
11/24
暗電流(I-V特性)
損傷後のサンプルでは、I-V特性が顕著に違う.
ガンマ線による損傷の場合と異なる
赤外線写真で観察した暗電流の分布にも相違が見られる
-ray
PD07 T. Matsubara (TIT)
60Co
未照射70.92V,5uA
3x10 11 n/cm2
1011 n/cm2以下での影響：ノイズレート
１００pixel
preliminary
４００pixel
preliminary
照射量に伴ってノイズレートが顕著に増加する。
熱雑音が増えているのか、アフターパルスが増えているのかの
測定が今後の課題。(後者の場合、リニアリティに影響が出る)
1011 n/cm2以下での損傷
１００pixel
４００pixel
preliminary
preliminary
ブレークダウン電圧には、特に大きな変化は見られない
ゲイン vs. V
preliminary
ゲインカーブに変化は見られないが、ノイズレート・暗電流の増加
のため実質的に得られるゲインは低下する。
ゲイン vs. V
400ピクセルのサンプルでは、1010 n/cm2以上で
ゲインの低下が見られる
まとめと今後の展望
ＭＰＰＣが高エネルギー実験で汎用的に使えるか
どうかを確かめるため、中性子線による放射線損
傷を測定しました。
現行製品では、1011 n/cm2 あたりが限界か？
1011 n/cm2以下では、ノイズレートが顕著に増加
ＰＤＥが変化していないかどうか？
アフターパルスが増えているか?
の測定が今後の課題