Transcript PPT - KEK 測定器開発室

T2K Near Detectorのための
光検出器MPPC(SiPM)の性能評価
Contents
1. Introduction
• Fine Grained Detector in T2K Near Detector
• Requirement for the Photo Sensor
• About MPPC, Motivation
2. MPPC Signal & p.e peak
3. Gain, Noise Rate, Cross talk Measurement
4. Summary
京都大学大学院理学研究科 修士課程二年
高エネルギー研究室 信原 岳
Fine Grained Detector
Fine Grained Detector (FGD)
T2K Near Detector
中のFGDにおいて、
1～1.5mmφの
ファイバーを1本1本
個別に読み出す
光検出器
が必要である
on-axis
off-axis
Requirement for the photo sensor
fine grained detector
大量の光ファイバーの狭
いスペースでの読出
高磁場(0.2T)の環境下
(off-axis)
MIP～low energy proton
までの検出
光検出器に課せられる要求
•コンパクトサイズ、安価
•読み出しボードの簡略化
高ゲインが望ましい
•磁場に耐性がある
•Dynamic Range ～200
これらの基礎的要求を満たす光検出器として、
MPPC(SiPM)がその候補として挙げられている
Advantage of Multi Pixel Photon Counter
PMT
APD
MPPC
Gain
106 ～
107
100～
200
106～
high gain
107
H.V
1～2kV
100～
500V
20～
80V
OK
OK
磁場内
での動
作
Proble
matic
low
bias V
low cost
is expected
5mm
compact size !
Dynamic Range
～1600
MPPCはFGDからの要求にマッチしていることがわかる
よって、FGDでの使用
へむけ、MPPCの性能評価を行う
MPPCの動作原理
100～1600 APD pixels /mm2
1pixel
Quenching
Resister
個々のAPD pixel
•ガイガーモードで動作
•フォトンが入射すれば、その
フォトン数によらず同一の
シグナルを出す
(Geiger discharge)
MPPC
•全てのpixelのanalog sum
pixelがdischaregeしたときに
chargeがこの抵抗を流れることで
pixelにかかる電圧がbreakdown V
以下に降下し、dischargeが終了する
をシグナルとして出す
•MPPC シグナルから、discharge
を起こしたpixel数がわかる
測定のMotivation
Motivation
MPPCがFGDにおいて最適な光検出器
であるかどうかを見極める
今回その第一段階として、HPK製
10個、ロシア製4個の試作品につい
て以下の測定を行った
Pixel 100～1600
Bias V 34～74 (v)
受光面 1mm2
Signal width 5～100ns
• シグナル、p.eピークの観測
• 基礎特性の評価
-- Gain, Noise Rate, Cross Talk
(Bias V 依存性について)
Signal & p.e peak
raw signal
1p.e
2p.e
3p.e
LEDによるシグナル
を確認した
最大で45 p.e ピークまで
の観測に成功した
ピーク毎の間隔は2％以内
で一致していた
pixelごとにGainが
よく揃っている
1mV/div
100ns/div
Great Performance
for Photon Counting!
number of event
さらに、p.e ピークを見る
ことができた
HPK100a
HPK100a
V=48.0
by blue LED
30p.e
adc count
Gain の測定
• 微小な光量でのMPPC
シグナルを用いる
20ns pulse
Blue
LED
clock
generator
gate
WLS
preamp
MPPC
• MPPC Gain はBias V,
• 測定は全て恒温槽内
で２０℃で行った
×10 ～100
event number
温度依存性を持つ
gate
generator
ADC
charge sensitive
0p.e
1p.e
calculate
MPPC gain
from
1p.e-0p.e count
adc count
Gain v.s Bias V (20℃)
シグナル幅=
Cpixel×Rquench
•Gain=1×105 ～2×107
•dG/dV =Cpixel /1.6×1019
known value
よく一致した
Pixelが持つcapacitance
×103
Gain
Gain
×104
Quenching Resister
HPK100a
47
bias voltage (V)
48.4
HPK400b
47.5
bias voltage (V)
49.5
•Gain=3×105 ～2×107
•dG/dV depends on
Capacitance of a pixel
•T=20℃
Gain
Gain v.s Bias V
Rus600d
Rus600b
Rus600a
Rus600c
HPK100a
Gain
Gain
bias voltage (V)
HPK100f
HPK100d
number of pixel
HPK100e
HPK400b
HPK1600a
bias voltage (V)
bias voltage (V)
Noise Rateの測定
• MPPCはランダムな熱電子ノイズを持つ
(1p.eパルスが typical）
• 測定は
光を当てていない状態で
2通りの方法で thresholdを取って行った
パルス波高による
threshold
0.5p.e or 1.5p.e th
MPPC
output
discriminator
scaler
# event
chargeによる
threshold
0p.e
1p.e
MPPC
output
random gate
no LED
no LED
0.5p.e
1p.e pulse
adc
take
as noise
0.5p.e
adc count
HPK100a
HPK400b
(20℃)
noise rate (Hz)
noise rate (Hz)
Noise Rate v.s Bias V
HPK100f
HPK100d
HPK100e
HPK1600a
noise rate (Hz)
bias voltage (V)
bias voltage (V)
0.5p.e threshold by pulse height
RUS#14
RUS#20
RUS#23
RUS#22
bias voltage (V)
0.5p.e threshold by charge
よく一致している
1.5p.e threshold by pulse height
Cross talk Rate measurement
いま、1つのピクセルがdischargeしたときに,他のピ
クセルのdischargeを引き起こす確率をcross talk
Rateと呼ぶことにする
cross talk Rateを
•0.5p.e th,1.5p.e th のnoise rateの比較
•LEDの光による,ADC分布とポアソン統計との比較
の２通りで測定する
ポアソン統計によるCross Talk Rateの測定
LEDによるp.e分布について、データの
0p.eの比率をもとにしたポアソン統計
と比較しCross talk Rateを求める
0p.e integrationをとる（p.eごと）
#event
1p.e
ratio
by LED
2p.e
Cross Talkによる
ポアソン統計からのずれ
が見られる
adc count
ratio
HPK400b
V=48.6
1p.e ratioの
減少分から
Cross Talk
Rateを導く
3p.e
ポアソン統計
HPK400b
V=47.8
データ
p.e#
p.e#
low voltage ではよく一致する
測定誤差の範囲内
で一致している
Rus600d
Rus600c
Rus600b
Rus600a
by poisson law
by noise rate
X-talk Rate
X- talk
Rate
X- talk Rate
X-talk v.s bias V (２０℃)
HPK100a
HPK400b
HPK1600a
HPK100f
HPK100d
HPK100e
bias voltage (V)
bias voltage (V)
Photon Detection Efficiency measurement
(rough measurement yet)
•移動ステージでMPPCをLEDに垂直な平面上で動かし
シグナルが最大の点でデータを取った
•同じsetupでMPPCを入れ替え、同様に測定を行い、
それぞれを比較した
1pixelが再dischargeし
ている可能性があり、そ
の影響を除くため、
pulse height
を取った。（オシロで電
圧値を読み取った）
恒温槽 20℃
blue LED
10ns
y
MPPC
x
約40cm
移動ステージ
signal height (p.e)
Signal (p.e) v.s Noise Rate
5-63-1A-2(100d)
21-53-2A-3(100f)
21-53-1A-3(100e)
1-32-21(400b)
5-31-22(1600a)
RUSSIA14
(600a)
1-43-22(100a)
noise rate (Hz)
noise rate (Hz)
noise rate (Hz)
HPK400b
HPK100a
Gain
Gain
noise rate (Hz)
noise rate (Hz)
RUS600a
HPK100f
HPK100e
RUS600b
RUS600c
RUS600d
HPK100d
Gain
Gain
Low bias Ｖでのふるまい (HPK100a)
MPPC のほぼ正面でblue LEDを光らせた。
大光量が入射された状態
bias Vを上げていくと
V=41.7
V=47.0
大きくなる
Geiger dischargeが
1mV/div
100ns/div
V=10程度でも見られる。
Geiger dischargeだとは
考えにくい
その上に見え始める
V=47.0
no LED
100pixel中,数pixel
だけがガイガーモード
になっている？
LED 2V
LED 3V
pixelごとにbreak
down voltageがばらつ
Geiger dischargeではない成分
いている可能性がある
100pixel
some
the others
Geiger mode Avalanche mode
LED 5V
大きな光量を当てているのに数
pixel分
のシグナルしか見られない
Unknown Behavior
可能性
•ピクセルごとの
Gainのばらつき
•ピクセル間の
X-Talk
number of event
HPK製の4つのMPPCにおいて、以下のようなADC分布
が得られた
HPK1-63-1A-22
by LED
大きさの異なる2通りのピーク
がみられた
HPKに聞いたが、
原因は分からず
adc count
Noise Rate, X-talk Rate v.s Gain
Noise Rate <～ 1MHz
X-talk Rate < 35%
cross talk Rate
noise rate (Hz)
0.4
HPK100f
106
HPK400b
RUS600b
HPK100a
HPK100d
HPK100d
全ての
pixel
が
Geiger
mode
になる
breakdown
V
HPK100e
を押さえて、適正動作電圧を決定しなければならない
HPK100f
HPK100e
HPK400b
RUS600b
HPK100a
106
107
Gain
106
107
Gain
Summary
• HPK製、ロシア製のSiPMについて、シグナル、p.e
ピークを確認した
• 基礎特性の評価を行った
• Gain v.s Bias V
Gain ～2×107
• Noise Rate v.s Bias V
Noise Rate <
1MHz
～
• Cross Talk Rate v.s Bias V X-talk Rate < 35%
Future Plan
• Q.E, Pulse linearity の測定 (PMT as Reference)
• 基礎特性,breakdown voltageを押さえた上で、適正動
作電圧,そして条件に適したMPCを選ぶ
• ビームテスト@KEK
全てのpixelがGeiger modeになる
breakdown Vを求めるためにpixel saturationが見える最
小のBias Vを押さえる
問題点
• pixelの再discharge
パルス幅(recovery time)<LEDの発光時間 のとき
起こりうる。saturationが見られない。
pulse heightで見る or
発光時間の短いレーザーを使う
• 大きな光量を当てたときに見えるGeiger modeでな
い成分。オシロでは判別が困難
• PDEが非常に小さくsaturationに十分な光量が当て
られていない可能性
測定を進める上での問題点
• Bias Vのモニタリング
テスターを直接あてるのと、銅線で数m引いて恒温槽の
外でみるのとで0.5V程度差がでる
•
Supplement
HPK100aの
あるBias Vの領域に
おいて半端なp.e数で
saturateが起こる
number of event
Break down Voltage
100p.e saturation
HPK100a
V=48.0
100pixel中30pixel
だけがガイガーモード
になっている？
30p.e
100pixel
30
70
HPK100a
V=47.2
LED full
intensity
Geiger mode Avalanche mode
pixelごとにbreak down
voltageがばらついている可能性がある
adc count
HPK400a
V=47.5
V=48.8
V=49.8
V=48.3
V=49.0
V=50.1
V=48.5
V=49.6
V=50.85
Pixel Saturation 時の信号波形
100ピクセルSiPMにLED
(10ns)で大きな光量を入れ、
saturation signal
500mV
をみた
100ns
5mV
long tail
1 p.e signal
その結果、pulse height
saturation signal
HPK21-53-1A-3
はsaturateしたが、波形
(100pixel)
のtailは光量とともに伸び
ていき、chargeのsaturateは見られなかった
また、saturation以下の波形においてもこのようなtail
がみられた
Unknown Behavior
•such a behavior
was seen in
HPK’s 4 SiPMs
number of event
•Possibility that pixel’s gain are divided
to two pattern
? p.e peak
HPK100b
•currently we are
researching this
in detail
adc count
SiPM ID
ピクセル
数
ピッチ
(μm)
Vb(V)
シグナル
幅（ns)
quench抵
抗(kΩ)
Vr(V)
Id(nA)
構造
5-31-22
(1600a)
1600
25
79
5
135
73.5
4.6
type4
1-21A-21
(1600b)
1600
25
55
5
135
49.5
19
type1
1-22-2A22 (400a)
400
50
55
10
180
48.7
4.7
type1
1-32-21
(400b)
400
50
53
10
108
48.4
54
type2
1-43-22
(100a)
100
100
52
100
270
48.4
625
type5
1-63-1A22 (100b)
100
100
54
60
270
49.6
15
type1
1-63-1A23 (100c)
100
100
53
60
270
48.1
48
type1
5-63-1A-2
(100d)
100
100
53
40
270
72.7
24.7
type3
21-53-1A3 (100e)
100
100
75
12
42
70.6
21.7
type6
21-53-2A3 (100f)
100
100
76
40
147
70.6
19.8
type6
表の補足
•シグナル幅以外はHPKさん提供のデータ
•シグナル幅は1p.eシグナルの波高の1/2の高さでの時間幅
•Vbは暗電流が100μA流れたときの逆電圧
•Vrは電圧0のときに出力電流10nAになるように光を入れて、その
状態で電圧を加えて出力電流が1000倍（10μA)になったときの電圧
•IdはVrの電圧を印加した状態で光をオフにしたときに流れる暗電流
noise rate (Hz)
Noise Rate v.s Bias V (20℃)
106
105
104
103
HPK100a
102
HPK400b
47
49 bias V (V)
0.5p.e threshold by pulse height
0.5p.e threshold by charge
1.5p.e threshold by pulse height
よく一致している