Transcript MPPCの性能評価
MPPCの性能評価 2007.4.24 筑波大学 須藤 山崎 •基礎特性の評価 •浜松ホトニクス訪問 測定sample • ILC-11-025M (2006年10月, plastic package) • S10362-11-025U (2006年12月, CAN package) これらのsampleについて、以下の性能を測定、比較した。 • Gain • Noise rate • Cross-talk • 光子検出効率 • 有感領域 (レーザーを使用) Gain測定 （25℃） ILC-11025 2006.10 S1036211-025U 2006.12 d d ・ 0.25 [pC] Gain = AMP ・ e C Gain = e ΔV •新sample(2006.12)のC ( pixel capacitance )は旧sample(2006.10)の約80% C200610 = 21.6 [ fF ] C200612 = 17.6 [ fF ] •印加できる最大over-voltageが小さくなっている 新 ~4V 旧~5V ( ΔV ) Noise rate , Cross talk ILC-11025 2006.10 S1036211-025U 2006.12 Cross talk Noise rate [ Hz ] スケーラーを用いて測定 ΔV = Vbias – V0 ILC-11025 2006.10 S1036211-025U 2006.12 ΔV = Vbias – V0 •Noise rate は新sample( 2006.12 )の方が ~20kHz 大きい(ΔV < 3.5V) •Cross talk はΔV < 3Vの範囲で新・旧あまり変わらない 光子検出効率 (PDE) ~ １光子の入射に対してそれを検出する確率 MPPCの光子検出効率は、光電子増倍管との応答比から求めた． μMPPC PDE MPPC = μ PMT PDEPMT MPPC μ : MPPC・PMTそれぞれの 測定光電子数 MPPC WLSF :λ~ 500 nm Blue LED PMT PMT 0.5 mm 径 ピンホール PDE [ % ] PDE結果 ILC-11-025 2006.10 S10362-11025U 2006.12 ΔV ( = Vbias – V0 ) [ V ] •Gain = 3×105 で PDE は 14~15% •新・旧同程度 •使用できるΔVの範囲でPDEは飽和しない LASERを用いた測定 @ KEK-DTP • YAG Laser, = 532 nm • Pulse width ~ 2 nsec • Pulse rate ~ 8 kHz • Spot size ~ 1 m • 光量 ~ 1 p.e. 以下 1600-pixel MPPC 1600-pixel MPPC の顕微鏡写真 ILC-11-025 2005冬 Can package ( 2006.10) Plastic package S10362-11-025U ( 2006.12 ) Can package • ピクセルの受光面の形が変化 している 有感領域 （2006.12 sample） 検出光電子数を用いて有感領域の割合を評価 S10362-11-025U (2006.12) 2005冬 • 検出光電子数が 50%MAX ≦ の領域を有感領域とすると 有感領域は ~27% 2005冬sample ( ~18% )の1.5倍 まとめ1 • 2006.10 と 2006.12 のsample について測定を行った • 新sampleはC ( pixel capacitance )が小さくなった C新 は C旧 の ~80% • 新sampleのNoise rate は少し大きくなった ΔV < 3.5V の領域で ~20kHz 上昇 • Cross talk はΔV < 3Vの範囲で新・旧あまり変わらない • PDEも新・旧同程度 ( 最大18% ) • 新sampleは有感領域が拡大されている 2005冬sampleと比べて約1.5倍 疑問・質問 1. LASERを用いた測定結果から有感領域は大きくなっていることが わかったが、pixel capacitance が小さくなったのはなぜか？ 2. また、PDEは有感領域の拡大によって向上すると考えていたが、 旧サンプルと同程度なのはなぜか？ 3. 印加できる最大over voltageが小さくなったのはなぜか？ C Gain = e ΔV , PDE = Q.E. ×εGeom × εGeiger S C=ε d Si Resistor p n+ Bias voltage (70~80 V) • 表面の構造の変化 • 内部構造 （各層の厚さ） • ドーピング濃度の変化 p- substrate p + d 1. LASERを用いた測定結果から有感領域は大きくなって いることがわかったが、pixel capacitance が小さくなった のはなぜか？ シリコンウェハーを厚くした影響 ウェハーの厚さは3 ~ 4 μm 2. PDEは有感領域の拡大によって向上すると 考え ていたが、旧sampleと同程度なのはなぜか？ よくわからないらしい 新sample（2006.12）はHPK的にも妥当な値のようだ The MPPC linearity • • • Most important fact for the calorimeter is linearity and dynamic range 1600 pixel expected response curve ILC-cal uses 1600 pixel MPPCs if this devise behaves ideally : 1600 • Nfired pixel = 1600 （信州大 魚住さん） Light input (photoelectrons) linearity measurements 2 1600 pixels taken by charge ADC 100ns gate width 120ns MPPC signal PMT signal 1600 Light input (arbitrary) （信州大 魚住さん） gate Linearity measurements 2 Number of fired pixels 1600 pixels taken by peak height with oscilloscope （信州大 魚住さん） light input (arbitrary) saturation is observed (~1300 pixel), but it still does not follow the expectation curve. • pulse shape DESY AHCAL group tested MPPCs. 100ns SiPM WLS fiber is used SiPM SiPM SiPM MPPC 400 MPPC 1600 medium light intensity high light intensity （信州大 魚住さん） saturation measurement • DESY AHCAL tested SiPM 100 ns integration 50 ns integration 30 ns integration 1.2 M SiPM 1600 pix MPPC 1600 （信州大 魚住さん） 10.4 M 400 pix MPPC 400 Calorimeter test module and Beam Test @ DESY MPPCs (1600 pixels) Tungsten (3.5 mm thick) Scintillator layer (3 mm thick) e+ Frame Scintillator strip (1 x 4.5 x 0.3 cm) WLS fiber （信州大 魚住さん） Observed linearity of the calorimeter data at desy without correction Simulation 13% e+ beam energy (GeV) •MPPCのsaturation effectに対して何の補正もして いないにも関わらず、カロリメータの応答はほぼ線形。 （信州大 魚住さん） まとめ2 • シリコンウェハーの厚さは 3 ~ 4 μm • 有感領域（開口率）は拡大 ( ~ 27% ) • 開発方針 pixel capacitance を大きくする方向 • ポリシリコン抵抗の抵抗値は 200 ~ 300 kΩ • pixel の回復時間が短い ~ 数 ns • 格子欠陥、ドリフト時間の差などにより遅い成分の信号がある • クロストークの原因になる 光子の波長は ~ 1μm ( 吸収係数 ~1mm ) • 金属を pixel 間に入れることでクロストーク率を減少させる方向 Recovery time setup MPPC LASER 今後 • • • • 光源の波長を変えてPDEの測定 新sampleの基礎特性の評価（温度依存性、LASER） 応答曲線についての理解する 長期安定性 Back up 光の広がり 広がりは0.55mm径 Multi-Pixel Photon Counter (MPPC) ～ シリコン半導体光検出器 ~ 1 mm 25 m Depletion region ~ 1 mm Substrate Si Resistor Guard ring n+ p n+ Bias voltage (70~80 V) Al conductor p- substrate p+ 浜松ホトニクスによるP.D.Eの測定結果 ※λ=400nm, including the cross-talk and after pulse 2005冬 光子検出効率測定 の Setup Φ0.5mm Blue LED PDE測定 PMTの量子効率分布 WSLFの発光スペクトル ( HPKによる測定 ) •この二つの分布からWLSFに対するPMTの PDEを求めた。 光子検出効率 (PDE) ~ １光子の入射に対してそれを検出する確率 MPPCの光子検出効率は、光電子増倍管との応答比から求めた． μMPPC PDE MPPC = μPMT PDEPMT MPPC,PMT のPedestal のイベント数からPoisson 分布関数を用いて検出光電子数を求めた。 MPPC μ : Poisson分布の平均値 P0(μ) = e-μ = Npedestal / Nall μ= -ln( Npedestal / Nall ) MPPC WLSF :λ~ 500 nm Blue LED PMT PMT 0.5 mm 径 ピンホール