Transcript 新型光検出器MPPCの開発

新型光検出器MPPCの開発
修士課程二年 高エネルギー研究室 信原 岳
Contents
• Introduction
(MPPC,T2K前置検出器)
• MPPCの基礎特性評価
（ゲイン、ノイズレート、検出効率)
• レーザーによる基本動作テスト
• ビームによる実用的テスト
• Summary
MPPC (Multi Pixel Photon Counter)とは?
•
近年、開発が盛んになっている
新型光検出器である
まだ開発途上の段階であり製品化、実用化に
は至っていない。
•
しかし、
1.
2.
3.
4.
5.
コンパクトである
磁場内でも使用できる
安価であることが期待される
低いバイアス電圧（～70V）で動作する
光電子増倍管と同程度のゲイン及び検出効率を有する
ことから、その性能に注目が集まっている。
現在、浜松ホトニクス(HPK）、ロシアのCPTA社などで主に開発が進められており、
2009年開始予定のT2Kニュートリノ振動実験において使用が計画されている
T2K実験前置検出器
前置検出器がもつ条件
•
•
シンチレータからの
ファイバー読み出し
を行うための
光検出器が必要
Fine Grained Detector
光検出器に対する要請
大量の光ファイバーの狭い
スペースでの読み出し
コンパクトで安価
高磁場(0.2T)の環境下
(PMTは使用できない)
磁場内でも動作が可能
MPPCがT2Kでの使用に適している
MPPCの実用化の可能性を詳しく評価す
るため、HPK製の試作品を使って,
T2Kで使用するための定量的な要請を満たしているかどうかの評価
を行った。
MPPCの動作原理
1mm
構造 受光面に1mm2当たり～103 の
APDピクセルが配置される
1ピクセル
ガイガーモードで動作する、すなわち
• 増幅率 (Qpixel / e ) は～106
MPPCシグナルの電荷量分布を取ると
フォトンを検出したピクセル数ごとに
きれいに分かれたピークが見られる
MPPCは優れたフォトンカウンティング能力を持つ
イベント数
• フォトンを検出すれば、その数によらず
一定の電荷Qpixelを放出する。
全ピクセルからのシグナルの総和
がMPPCシグナルとなる。
2
1
LEDからの光を
入射させたときの
シグナルの
電荷量分布
3
4
0
5
6
電荷量
性能評価の流れ
T2Kからの基本的要請
1. ゲイン>5x105 、ノイズレート<1MHz、検出効率>15%
バイアス電圧、温度依存性を測定
基礎的な動作確認
2. 各々のピクセルが正しく動作しているか
レーザーテストの結果から評価
T2Kからの応用的要請
3. シンチ＋ファイバー読み出しにおいて、
MIP(最小イオン化粒子)に対して5p.e.以上の光量、さらにp/πの識別
ビームテストの結果から評価
これらの測定は、HPK内ではされていない。よって今回の評価は、
T2KだけでなくこれからのMPPCの開発においても貴重な情報となる。
これから、HPK21-53-1Aという100ピクセルのサンプルの評価結果を示す
ゲインの測定
LED
MPPC
0p.e.
バイアス電圧(Vbias)、温度(T)特性を測定した。
測定方法
シグナル
1p.e.
1p.e.
青色の光によるシグナルの電荷量分布
における1p.e.－0p.e.から、
ゲイン = Qpixel / e を求めた
2p.e.
電荷量分布
3p.e.
3p.e.
電荷量
グラフの傾き =
Cpixel
e
=
シグナル幅
e×Rpixel
ゲイン (x106)
ピクセルの簡単な動作モデルからの予想
ゲイン-Vbiasはリニアな相関がある。
2p.e.
25℃
25℃
20℃
20℃
15℃
15℃
これは測定結果と良く一致した。 わかって
いる値
ゲインの変化は
ΔV = 0.1V に対し7.5%
ΔT = 1℃ に対し5.0% となった
T2Kからの要請を全ての
動作領域でみたしている
T2Kの制限
バイアス電圧 (V)
ノイズレートの測定
熱電子ノイズ（大半が1p.e.パルス)
MPPCが持つ熱電子ノイズ
ピクセルは熱電子によっても、フォトンによ
るものと同じQpixel の電荷を放出する。
ランダムに起こるという点以外はフォトンに
よるQpixel と区別できない
光を当てていない状態でのMPPCの信号
に対し、0.5p.e.と1.5p.e.の波高で
thresholdをかけて、カウントレートを取る
ノイズレートの変化は
ΔV = 1.5V で5倍
ΔT = 10℃ で1.5倍
となった
広い範囲で
T2Kからの要請をみたしている
ノイズレート (MHz)
測定方法
LED光による
シグナル
25℃
20℃
15℃
○ 0.5p.e.
threshold
1MHz
1桁小さくなる
▽ 1.5p.e.
threshold
バイアス電圧 (V)
検出効率の測定
測定のsetup
20℃で、バイアス電圧特性を見た。
一
様
光
測定方法
PMTとMPPCとの得られた光量(p.e.)
の比から、MPPCの検出効率を出した
PMTに、MPPCと同じ
大きさの入射窓を作る
MPPC (p.e.)
×PMTの検出効率 (20%)
PMT (p.e.)
高バイアス電圧で
T2Kからの要請をみたしている
MPPCの検出効率 (%)
MPPCの検出効率 ＝
20
T2Kの制限
10
バイアス電圧を上げる
と3倍程度大きくなる
バイアス電圧 (V)
性能評価の流れ
1. MPPCの基礎特性評価
（ゲイン、ノイズレート、検出効率)
広いVbias, Tの領域で要請を満たすことがわかった
( T=20 ℃のとき、Vbias=70.8～71.8)
2. レーザーによる基本動作テスト
3. ビームによる実用的テスト
レーザーを使ったテスト
動機
レーザーでピクセルごとに光を入射し、
MPPCのピクセルごとの応答を調べる
全ピクセルきちんと動作しているか。製品開発においても重要な情報。
波長: 825nm
時間幅: 50ps
• 1ピクセル内での
検出効率の分布
レーザー源
顕微鏡の画像
顕
微
鏡
• ピクセルごとの
ゲイン、検出効率
のばらつき
の測定を行った
100μm
MPPC
移動ステージ
1μm ピッチ (x , y)
レーザースポットサイズ
は10～20μm
1ピクセル内での検出効率分布
受光面
70x70μm
1ピクセル
１ピクセル内でレーザーを２次元スキャン
し、ポイントごとの検出効率を調べた
100μm
10μm ピッチ
真ん中の60x60μm2
レーザー
に平坦な領域をもっていることがわかる
ポイントごとの
検出効率
計 100 ポイント スキャン
1p.e.
y
0p.e.
x
100μm
電荷量分布
@ 1 ポイント
検出効率 =
全イベント数における
０．５p.e.以上の割合
100μm
0.5p.e.
ピクセルごとの応答のばらつき
ピクセルごとにレーザーをスキャンし、
ピクセルごとのゲイン、検出効率を調べた
ピクセルごとに
中心部分に当てる
ピクセルごとの応答が非常に
よく揃っていることが確認された
１ピクセルの
相対ゲイン
y
計 100 ピクセル スキャン
１ピクセルの
相対検出効率
ピクセルごとのばらつき
=３．６％ (r.m.s./mean)
ピクセルごとのばらつき
=２．５％ (r.m.s./mean)
x
1mm
y
x
1mm
1mm
1mm
性能評価の流れ
1. MPPCの基礎特性評価
（ゲイン、ノイズレート、検出効率)
2. レーザーによる基本動作テスト
3. ビームによる実用的テスト
ビームによるシンチ＋ファイバー読み出しのテスト
動機 前置検出器と同じ読み出し条件で、MPPCはT2Kの要請を満たしているか。
MIPに対して5p.e.以上の光量
4ch全ての
ビームによるMPPC
シグナルを見ることが
できた
• 0.5～1.4GeV/c
• proton & pion
• ～100 event/spill
• beam size 1x1cm2
pとπの識別ができる
setup
ビーム
64ch MAPMT
(as reference)
MPPC
4 layers
シンチレータ1.3x2.5x50 cm3
ファイバー1mmΦ
ビームテストの結果
T2Kの基本要請を満たすVbiasの領域 で、MIPにより5～14p.e.
の光量が得られた。 (MAPMTでは18.0 p.e.)
これは、ファイバーと受光面間の光量のロス(約50%)
を考えると検出効率の測定と一致する結果である。
ファイバー
MPPC
ギャップが存在
受光面
運動量ごとのp,πによる光量分布
#even
t
MIPにより得られた光量分布
Mean = 13.3p.e.
1.2GeV/c
0.9GeV/c
0.8GeV/c
p
π
pとπを識別可能である
0.7GeV/c
十分な光量が得られている p.e.
p.e.
0.6GeV/c
p.e.
0.5GeV/c
p.e.
Summary
新型光検出器MPPCの動作を確認し、性能評価の方法を確立した。
性能を評価したサンプルの測定結果
•
•
ゲイン ～3x106 , ノイズレート ～1MHz ,検出効率～26%
シンチ＋ファイバー読み出し（実機と同じ条件）で、
(T2Kの基本的要請を満たすバイアス電圧において）
•
MIPにより、～14 p.e.の光量が得られた
pとπを識別できた
レーザーテストにより、ピクセルごとに応答がよく揃って
いることが示された
T2Kの要請を満たす点
• 100ピクセルではダイナミックレンジが不足している。
T2Kには200ピクセル以上が必要である T2Kの要請を満たさない点
最近、400ピクセルでT2Kの要請を満たすサンプルが確認された
今回の評価結果により、
MPPCがT2K実験で十分に使用可能な性能を持つことが示された。
Supplement
HPK製MPPCにおけるファイバーのalignment
HPK製MPPCの受光面とパッケージの位置関係
•
•
Y
0.8mm
Z方向 : 透明カバーと受光面に隙間が存在
受光面‐ファイバー間距離は0.8mmとなる
Z
X,Y方向 : サンプルごとにばらつきがある
サンプルごとにファイバーの位置合わせを行った
X
X、Y方向位置合わせ
MPPC
固
定
具
フ
ァ
イ
バ
ー
固
定
ネ
ジ
移動ステージでファイバー
をスキャンし、
MPPCシグナル
が最大の点でファイバーの
位置を固定した
ファイバー(1mmφ)
X,Y方向の位置のずれにより最大20%,Z方向の隙間により約60％の光量のロスが存在
ファイバーから40°で一様に光が広がっているとした場合の値
現段階のパッケージ構造によるもので、デバイスの性能からくるものではない
#event
0.7 GeV π
Mean = 6.5 p.e.
ADC カウント
HPK1-43
30p.e
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
クロストーク確率
クロストーク確率
バイアス電圧 (V)
バイアス電圧 (V)
p/π Separation
MIPによるシグナル
MPPC
のMean,r.m.s.
MAPMT
1.2GeV
π
p
0.8GeV
1.0GeV
0.7GeV
Mean
r.m.s.
13.3p.e.
6.2p.e.
18.0p.e.
6.6p.e
0.9GeV
0.6GeV
0.5GeV
1.2GeV
0.8GeV
1.0GeV
0.7GeV
0.9GeV
0.6GeV
0.5GeV
MPPC
(PDE70%)
MAPMT
(PDE100%)
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
1-22-2A-2
(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