Transcript MPPC 放射線耐性の評価

GLD カロリメータの読み出しに
用いられる光検出器MPPCの性能評価
2007年９月22日
日本物理学会＠北海道大
筑波大学 山崎秀樹
金信弘 須藤裕司 生野利典 高橋優介
2015/9/30
γ線照射 to MPPC
GLD CalorimeterではMPPCは放射線環境
下での使用が見込まれ、
そのために東工大久世研究室でγ線を照
射し,MPPCの放射線耐性の評価をする
2015/9/30
放射線照射による影響
• Total dose 効果
照射量に比例して漏れ電流増加
- Hole trap（SiO2層に正孔が捕獲される）
→X線、電子、γ線
- Surface damage (Si-SiO2境界面に正孔が蓄積)
• 高波高ノイズ 効果
ある照射量から大きく漏れ電流変化
局所的に高電圧状態→高波高ノイズ発生
2015/9/30
γ線照射実験＠東工大
照射サンプルILC-11-025M sample#9.#12,#14
累積放射線量
1krad/h 12時間照射→12krad(120Gy)
1krad/h 6時間照射→6krad(120Gy)
1krad/h 3時間照射→3krad(120Gy)
60Co Source
60 Cm
2015/9/30
MPPC
放射線源: ~15TBq 60Co Source
γ-ray energy : 1.173 MeV, 1.332 MeV
測定項目
Gain,NoiseRate測定
照射前のものと比較し、放射線による影響をみる
Leakage Current 測定
時間変化を測定し、回復現象をみる
I-V Curveの測定
Total dose効果のみがみられる時に測定する
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Leakage Current (照射中)
60Gy(6Krad) 照射サンプル(#12)
30Gy (3krad)照射サンプル(#14)
Leakage Current時間変化 （30gy 照射中）
Leakage Current時間変化 （60gy 照射中）
0.15
0.1
0.05
0
0
1
2
Time(hour)
3
4
Leakage Current(μA)
Leakage Current(μA)
0.15
0.1
0.05
0
0
2
4
6
8
Time(hour)
120Gy(12krad) 照射サンプル(#9)
Leak Current 測定回路
Leakage Current時間変化 （120gy 照射中）
MPPCに光をあてていない状態で
回路内に流れる電流量を
マルチメータで測定する
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Leakage Current(μA)
12
7
2
-3 0
3
6
9
12
15
Time(hour)
120Gyをあてたサンプルでは
高波高ノイズが発生している
6
MPPC Pulse Shape
120Gy照射後サンプル バイアス電圧印加直後
（セルフトリガーでの波形）
高波高ノイズと思われる信号が出ており、波高は1
p.e. (約20mV 1600pixel)よりも高い(>5p.e. height)
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Leakage Current (照射後)
120GyをあてたSampleにバイアス
電圧をかけ続けると、回復現象が
みられる
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
10
20
30
Time(hour)
1000
Current(-uA)
Leakage Current(μA)
Leakage Current時間変化 （120gy 照射後）
40
50
IVカーブ(照射後) semi-log
100
10
1
1
2
3
4
5
6
Before
After 30 gy
After 60 gy
After 120gy
Before
0.1
0.01
0.001
ΔＶ(-V)
放射量によってLeakage Currentが増加
120Gyをあてたサンプルでは高波高ノイズによる影響が
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大きく出ている
Gain
Pedestal peak
d
1 p.e peak
120Gy
60Gy
30Gy
2 p.e peak
S: ADC Sensitivity
= 0.25pC/ADCcount
A : Amp gain = 63
e : electron charge
= 1.6 x 10-19 C
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120GyをあてたSampleでは
この領域のGainは求められ
ない→ADC分布(Vbias=78.6)
どの放射線量でもGainの値は105以
上あり、GLD Calorimeterの要求(105
～)を満たす
Noise Rate
Noise Rate:熱電子によっ
て起こる
雪崩によるsignal
60Gy
30Gy
放射線をあててない MPPCの
Threshold Curve（現行システム） 照射量によってノイズレートが増
0.5 p.e.
Threshold
1.5 p.e.
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Threshold
加する
GLD Calorimeterの要求を満たす
ΔVの領域は～3.5V (～1MHz)
120Gyではノイズが10MHz以上
ある (0.5p.e.が見つけられない)
Cross talk Probability
Cross-talk :
電子雪崩から生成された
光子が隣のpixelで電子
雪崩を起こす
60Gy
?
30Gy
2 photo-electron signalを
Cross-talkによるものとする
Rate( 1.5 p.e.)
PCrosstalk 
2015/9/30 Rate( 0.5 p.e.)
Crosstalk率も照射量によって
増加する
まとめと今後の予定
まとめ
Total dose 効果のみが見られたSample(30Gy,60Gy)
でNoiseRateは照射前より増加し、使えるΔVの領域は
狭まる
120Gyをあてたサンプルではアニーリングをさせて
もGainが算出できない領域がある)
今後の予定
Proton、中性子線による照射実験（1600pixel MPPC）
ハドロン粒子照射でのBulk damageもみる
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GLD
Calorimeter での各放射線量の見積もり
Back Up
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120Gy 照射Sample
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Leakage Currnet (サンプルの個体差)
IVカーブ(照射前サンプル比較)
0.03
0.025
Current(-uA)
0.02
0.015
Sample9
Sample12
0.01
Sample14
0.005
0
0
1
2
3
-0.005
ΔＶ(-V)
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4
5
240Gy 照射サンプル 測定結果
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Gain(ADC Distribution)
S d
Gain 
A e
S :ADC 分解能 (0.25pc/Count)
d: 1 p.e. mean – Pedstal mean
A : Amp gain = 63
e : electron charge
= 1.6 x 10-19 C
測定一回目
バイアスをかけた直後
全event数 10000
測定二回目
バイアスをかけた直後
全event数 10000
Photon Countingが出来ない
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測定二回目
バイアスをかけてから
14時間
全event数 100000
Noise Rate(Threshould Curve)
Noise Rate:熱電子によって起こる
雪崩によるsignal
Threshould Curve
放射線をあててない MPPCの
Threshold Curve（現行システム）
バイアス電圧をかけた直後からのプロット
0.5 p.e.
Threshold
1.5 p.e.
Threshold
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オーダーは10MHzまで
達している
放射線をあててないMPPCでは
数十KHz
Noise Rate(Threshould Curve その２)
この波高領域が
効いている
一度バイアス電圧を切ってから再度測定
Dark Noiseの数が多すぎて
CAMAC Discriのgateに入り
きっていないのではと思わ
れる
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漏れ電流 (Leakage Current)
半導体検出器に逆電圧印加時、熱電子によって
定常的な電流が発生
Time Vs Leakage Current
9.00
MPPCに光をあてていない状態で
回路内に流れる電流量を
マルチメータで測定する
2015/9/30
Leakage Current(μA)
8.00
7.00
6.00
5.00
4.00
3.00
2.00
1.00
0
5
10
15
20
25
30
Time(hour)
35
40
今回の測定では漏れ電流のピークは8μAで
東工大 松原さんの結果では10μA まで達してい
ることから、アニーリングは進んでしまっているこ
とが分かる
45
50
55
温度モニター（ γ線 照射中＠照射室）
30 Gy (Sample#14)
(2007年 9月14日 10時53分開始)
60 Gy (Sample#12)
(2007年 9月14日 10時53分開始)
120 Gy (Sample#9)
(2007年 9月14日 19時25分開始)
2015/9/30
ホールが捕獲されることで禁制帯の中に新しいエ
ネルギー
2015/9/30
東工大 松原さんのトラぺより抜粋
2015/9/30
2015/9/30
SIPM損傷試験：ADC distribution @東工大
照射前
（累積放射線量22.2krad）
10krad/h*10h照射後は
photon counting出来ていな
い
2015/9/30
（累積放射線量122.2krad）