Transcript T - GLD

Long Term Stability
Yusuke TAKAHASHI
University of Tsukuba
2009/06/16
for ILC meeting
@ University of Tsukuba
目的
• ILC では光検出器を長期に渡って使用する
• 使用期間内で性能が安定しているか
• 出力がどのように変化をするのか
原理（１）
反応論モデル：
拡散、酸化、吸着、転位、電解、腐食クラック成長な
どのメカニズムで変化が進行し材料や部品を劣化させ、
ある限界を超えると故障に至る
アレニウスモデル：温度による反応依存性
k ：反応速度 [1/time]
Λ ：定数 [1/time]
L ：温度Ｔ での寿命 [time]
k B ：ボルツマン定数 [eV/K]
E a ：活性化エネルギー[eV]
T ：絶対温度 [K]
原理（２）
活性化エネルギーの測定
A ：定数
L ：温度 T での寿命
k B ：ボルツマン定数 [eV/K]
E a ：活性化エネルギー[eV]
T ：絶対温度 [K]
活性化エネルギーEaを精度良く測定できれば
MPPCの寿命が推定できる
原理（３）
アレニウスモデルを用いた温度加速
K ：温度加速定数
L 1 ：通常動作時の寿命
L 2 ：温度加速時の寿命
T 1 ：通常動作温度 [K]
T 2 ：温度加速時温度 [K]
k B ：ボルツマン定数 [eV/K]
E a ：活性化エネルギー[eV]
※活性化エネルギーを0.585 eV
通常動作温度を25 ℃ と仮定
温度[℃] 温度加速定数
35
60
80
100
115
2
11
35
97
196
測定項目
25um 1600pix sample について
以下の項目の測定を３つの温度で行う。
•
•
•
•
•
Gain
Noise Rate
Cross Talk
Leak Current
Relative PDE
測定は 1回 / Week で行う予定。
故障の定義はＧＬＤのＤＯＤをベースにして決定する。
（測定していないときは電圧をかけた状態で加熱し
Leak Current を測定する）
予備実験
活性化エネルギーの測定において必要なこと
• 温度に依存せずに安定した電圧をかけ
ることのできるシステム構築
⇒温度に依存しない回路の製作
• 測定を行う温度の決定
• 故障の定義
• 大量測定システムの構築
温度依存性
TypeB：読み出し回路を含まない試作品
TypeA：読み出し回路を含む従来の回路
25,30,40,50,60,70,80,90,100,110, 115℃ で
以下の項目の温度依存性を測定する。
MPPC動作温度 0 ～ +40 ℃
MPPC保存温度 -20 ～ +60 ℃
（115℃：恒温槽の限界温度）
•
•
•
•
Gain
Noise Rate
Cross Talk
Leak Current
この測定により次の項目のテストができる
• 温度に依存せずに電圧をかけられるか
• 恒温槽と MPPC が高温に耐えられるか
• 高温領域での MPPC の温度依存性
Set Up（Gain）
Gain
1kHz
Width
55ns
Delay
Clock
Gate
Generator
Generator
CAMAC
Gate
PC
AMP×63
Voltage
source
MPPC
LED
driver
LED
Analog
In
GPIB
Digital
Thermostatic
chamber
Multi Meter
Voltage
source
• 現段階では1つずつしか測定できない
RS232C
Pulse shape
Type A
Type B
MPPC
Pulse
shape
average
Peak が変形している。
ケーブルの長さを変えたりターミネートをしても変化しなかった
ADC distribution
Over Voltage 3[V]
Gate 55ns
25℃
Sample
#1102
Type A
Type B
Sample
#1103
ADC分布はきれいにとれた。
Gain
Sample
#1102
Sample
#1103
Gain 
C
・Type A
・Type B
e
・Type A
・Type B
(V bias  V 0 )
V0
Type A :74.10 ±0.01 V
Type B :74.12 ±0.01 V
Capacitance
Type A :1.601±0.006×10-2pF
Type B :1.644±0.008×10-2pF
V0
Type A :74.14 ±0.01 V
Type B :74.17 ±0.01 V
Capacitance
Type A :1.586±0.006×10-2pF
Type B :1.611±0.006×10-2pF
V0 が一致し、Capacitanceも一致した。
⇒新しい回路でGainに対する差異はない。
Gain Vs Vbias
Type A
Type B
Sample
#1102
・25
・30
・40
・50
・60
・25
・30
・40
・50
・60
Sample
#1103
・25
・30
・40
・50
・60
・25
・30
・40
・50
・60
• 温度を横軸に、V0 , Capacitance をそれぞれ縦軸にとり温度依存性を見る
Ｖ０ 温度依存性
α:温度係数 [V/℃]
β:0℃のときのV0 [V]
#1102 Type A
α:0.051 ± 0.001 V/℃
β:72.84 ± 0.02 V
V 0 (T )    T  
#1102 Type B
α:0.051 ± 0.001 V/℃
β:72.83 ± 0.02 V
・#1102 Type A
・#1102 Type B
・#1103 Type A
・#1103 Type B
#1103 Type A
α:0.053 ± 0.001 V/℃
β:72.82 ± 0.02 V
#1103 Type B
α:0.051 ± 0.001 V/℃
β:72.88 ± 0.02 V
Capacitance 温度依存性
Capacitance には
温度依存性がないと仮定
C (T )  C
・#1102 Type A
・#1102 Type B
・#1103 Type A
・#1103 Type B
#1102 Type A
Capacitance
1.589 ± 0.004 ×10-2pF
#1102 Type B
Capacitance
1.616 ± 0.004 ×10-2pF
#1103 Type A
Capacitance
1.567 ± 0.004 ×10-2pF
#1103 Type B
Capacitance
1.607 ± 0.004 ×10-2pF
Gain Vs Vbias（２）
Sample#1102
Type A
↓：Pedestal をGaussian Fit したときの
σ をBias Voltageで比較した
・25
・30
・40
・50
・60
・25
・30
・40
・50
・60
σ が２倍になる Vbias 79.0[V]
を上限として同じ解析をした
Ｖ０ 温度依存性（２）
α:温度係数 [V/℃]
β:0℃のときのV0 [V]
#1102 Type A
α:0.049 ± 0.001 V/℃
β:72.86 ± 0.03 V
V 0 (T )    T  
#1102 Type B
α:0.050 ± 0.001 V/℃
β:72.83 ± 0.03 V
・#1102 Type A
・#1102 Type B
・#1103 Type A
・#1103 Type B
#1103 Type A
α:0.050 ± 0.001 V/℃
β:72.88 ± 0.03 V
高温領域でも温度に対して線形に依存する。
#1103 Type B
α:0.051 ± 0.001 V/℃
β:72.90 ± 0.03 V
Capacitance 温度依存性（２）
Capacitance には
温度依存性がないと仮定
C (T )  C
・#1102 Type A
・#1102 Type B
・#1103 Type A
・#1103 Type B
温度が上がるにつれて
Capacitanceが小さくなっている。
#1102 Type A
Capacitance
1.584 ± 0.004 ×10-2pF
#1102 Type B
Capacitance
1.611 ± 0.004 ×10-2pF
#1103 Type A
Capacitance
1.564 ± 0.004 ×10-2pF
#1103 Type B
Capacitance
1.610 ± 0.004 ×10-2pF
Set Up（NoiseRate）
Noise
10MHz
CAMAC
Discriminator
20ns
Coincidence
Clock
Gate Generator
Generator
25ns
Scaler
Width 0.5s
1Hz
PC
ECL
to
MPPC
AMP×63×10 NIM
25ns
Discriminator
hoge
Digital
GPIB
Multi Meter
Thermostatic
chamber(25℃)
Voltage
source
RS232C
Vth
Threshold Curve
Over Voltage 3[V]
Width 25 ns
Sample
#1102
Type A
ScalerCoun t V th  
 V  p1 
  p3
erfc  th


2
p
2


( p 0  p 3)
2
Threshold Curve
erfc  x  
Threshold Curve (derivation)
2



x


exp  t dt
2
Vth [mV]
Vth [mV]
Noise Rate(0.5 p.e.)
Type A
Sample
#1102
Type B
・25
・30
・40
・50
・60
Sample
#1103
温度が上がるにつれてNoise Rate が大きくなっている。
#1103
Type A
・25
・30
・40
・50
・60
原因不明
再測定が必要
Noise Rate(1.5 p.e.)
Type A
Sample
#1102
Sample
#1103
・25
・30
・40
・50
・60
Type B
Cross-Talk Probability
Type A
Sample
#1102
Pcrosstalk 
scalercoun ts (V th  1 . 5 p .e .)
Type B
scalercoun ts (V th  0 . 5 p .e .)
・25
・30
・40
・50
・60
Sample
#1103
温度が上がるにつれてCross Talk が起きやすくなっている。
Leak Current
Type A
Sample
#1102
Type B
・25
・30
・40
・50
・60
Sample
#1103
温度が上がるにつれてLeak Current が大きくなっている。
Summary & Plan
Summary
• 60℃までの Gain , Noise Rate ,Cross Talk ,
Leak Current の測定を終えた。
• V0 , Capacitance ,Cross Talk ,
Leak Current に温度依存性があるように見える。
Plan
• 引き続き予備実験を続ける。（25～60℃の再測定）
• Noise Rate ,Leak Currentの解析・理解を進める。
Back Up
Rejected ADC distributions
Type A
Type B
Sample
#1102
・25
・30
・40
・50
・60
・25
・30
・40
・50
・60
Sample
#1103
・25
・30
・40
・50
・60
・25
・30
・40
・50
・60
• T=40,50,60 について棄却したデータのADC分布を見る。
T=40℃ Vbias 79.07
Type A
Sample
#1102
Sample
#1103
Type B
T=40℃ Vbias 79.27
T=40℃ Vbias 79.47
T=50℃ Vbias 79.07
T=50℃ Vbias 79.27
T=50℃ Vbias 79.47
T=50℃ Vbias 79.67
T=60℃ Vbias 79.07
T=60℃ Vbias 79.27
T=60℃ Vbias 79.47