Transcript ガイガーモードAPDの開発研究（馬塚）

Aerogel RICH counterのための
Geiger mode APDの性能評価と光学デザイン
1.
2.
3.
4.
イントロダクション
Geiger mode APDの性能評価
光学デザイン
Aerogel RICH counterの
シミュレーション
5. まとめ
N研 馬塚優里
2007/3/22
学術創成評価委員会 馬塚優里
1/16
イントロダクション
KEKBファクトリー実験 : 電子陽電子衝突型加速器でB中間子を大量生成
B中間子系でのCP対称性の破れを精密測定
Belle検出器 : B中間子の崩壊終状態に現れる粒子を検出
現在のK/p識別装置
閾値型Cherenkov counter
(P>2GeV/cでは識別不可)
高運動量(P～4GeV/c)
でも識別したい
B=1.5T
e-(8.0GeV/c)
Endcap部の大きさ
e+(3.5GeV/c)
奥行き28cm
半径1m
新型K/p識別装置
Aerogel RICH counter
(Ring Imaging CHerenkov)
2007/3/22
学術創成評価委員会 馬塚優里
2/16
Aerogel RICH counterと光検出器
Aerogel RICH counterの原理
20cm
Aerogel からのCherenkovリングを観測
Cherenkovリングの放出角度qcからK/π識別
qcπ – qcK～23mrad
qc
200mm
Beam testの結果
検出光子数～8.5
1通過粒子あたり 角度分解能～4.4mrad
(運動量3GeV/c, Aerogelの厚さ 30mm、
マルチピクセルPMT使用）
光検出器への要求
・ 1.5T磁場中で使用可能
・ １光子検出能力
・位置分解能～□5mm/チャンネル
・高い光子検出効率 15%以上
2007/3/22
PMT(光電子増倍管)は
磁場中で使用不可
新しい半導体光検出器
Geiger mode APD
学術創成評価委員会 馬塚優里
3/16
Geiger mode APDの動作原理と一般的特徴
Geiger mode APD受光面
全ピクセルで1出力
典型的サイズ～1mm
数mm
Vbias(全ピクセル共通)


各ピクセル・・・なだれ増幅型フォトダイオード(APD）
Geiger mode・・・なだれ増幅範囲を超えたバイアス電圧(Vbias>Vbreak)印加
→Geiger放電 (入射光子エネルギーによらず～106に増幅)
→各ピクセルは2値信号

全ピクセルで１つの出力・・・放電したピクセル数の和=１素子の検出光子数

各ピクセルの抵抗を経由して出力→Vbias<Vbreakになり放電終了
特徴
2007/3/22
フォトダイオード→長波長まで高い量子効率
薄膜（厚さ数μm）に高電界→磁場に影響されない、時間応答性がよい
学術創成評価委員会 馬塚優里
4/16
本研究の目的
Geiger mode APDを
Aerogel RICHに使う利点
☺長波長側でも高感度
透過率(%)
光子のイベント数
100
50
→光検出器に到達する長波長光子を検出可能
☺高時間分解能
→時間情報（飛行時間差）でも粒子識別可能
光検出器に達する光子の波長分布
基本性能の確認
Aerogel RICHに使う際の問題
☹高頻度の熱電子ノイズ（１光子信号と区別不可）
☹小さい受光面積（～1mm2）
光学オプションで実用面積拡大
コンセプト
研究目的
0
□2mm＋光学オプションで
光検出器を構成
5mm
2mm
Aerogel RICHでこのコンセプトが
使えるか？どのようなメリットがあるか？
2007/3/22
学術創成評価委員会 馬塚優里
5/16
測定項目と測定サンプル
測定項目
•
•
New
１光子検出能力
時間分解能
Old
– 時間情報を加えた粒子識別の可能性
– タイムウィンドウでの熱電子ノイズ排除
•
20mm
光子検出効率の波長依存性
– 検出光子数の見積もりのため
•
真の信号が来るタイミングが一定⇒
その時間幅に来た信号以外は排除可能
熱電子ノイズ
– 発生頻度、ゲインとの関係
測定サンプル
名前
H100old
H400old
H400new1,2
2005初め
2006終り
ピクセル数
100
400
100
400
有感面積比
(%)
-
-
78.5
61.5
2007/3/22
浜松ホトニクス製
Geiger mode APD
1.0x1.0mm2
受光面積
製造時期
H100new1,2
学術創成評価委員会 馬塚優里
□1mmを用いて
基本性能の確認
6/16
レーザーで1光子照射
ゲインと1光子検出能力を測定
イベント数
Geiger mode APDの性能① １光子検出能力
H100-old, Vbias=71.5V, noise～1.0MHz
meanped: 98.9
mean1pe: 137.1
sped: 3.0
pedestal
1pe
x65
2pe
3pe
ゲイン=1.8x106
1光子のS/N=⊿mean/s=11.6
優れた光子計数能力
通常のPMT(S/N～3)よりもはるかに高分解能
１光子検出が十分可能なゲイン
2007/3/22
学術創成評価委員会 馬塚優里
7/16
Geiger mode APDの性能② 時間分解能
ゲイン測定と同じセットアップ、１光子照射下で測定
H100-old, Vbias=71.5V, noise～1.0MHz
イベント数
PMT（s～300ps）に比べ
高時間分解能
・タイムウィンドウを使うには十分
熱電子ノイズの混入を防ぐため
タイムウィンドウを数100psにまで
小さくできる
σ～102ps
・粒子識別に時間情報を
用いることも可能
飛行時間差（K,p）～300ps
@運動量1.5GeV/c
TDC
2007/3/22
学術創成評価委員会 馬塚優里
8/16
Geiger mode APDの性能③ 光子検出効率の波長依存性
光子検出効率(l,V) = QE(l) x egeom x eGeiger(V)
QE：量子効率 egeom：有感面積比
eGeiger：Geiger放電が起こる確率
暗箱
可動ステージ
A
波長感度既知のフォトダイオード(Ref. PD)を
リファレンスにして測定
A
H400-new1,Vbias=70.5V,ノイズ～400kHz
Ref.
PD
Geiger
mode
APD
filter
分光器
pin hole
f200mm
最大感度波長：460nm 45%
c.f. バイアルカリ光電面PMTでは
350nmで最大量子効率 27%
感度限界：250nm< <900nm
PMTよりも長波長まで広く高感度
Aerogel RICHにおいて長波長の
光子も検出可能！
2007/3/22
学術創成評価委員会 馬塚優里
9/16
Geiger mode APDの性能④ 熱電子ノイズ
熱電子ノイズ・・1光子による信号と同じ
波形でランダムに現れる
バイアス電圧を上げると
☺波高（ゲイン）：上昇
☹熱電子ノイズ頻度：増加
遮光時、1光子波高の1/2を閾値として
digitizeした信号をカウント
熱電子ノイズ頻度の指標
（タイムウィンドウ1ns）
Geiger mode APDの出力波形
1光子による信号
10mV/div
1ns/div
熱電子ノイズ
amp x65
□5mm/チャンネルの光検出器
160mm四方でのヒットイメージ
熱電子ノイズ発生
頻度(MHz)
ノイズヒット数/160mm
四方(チャンネル)
熱電子ノイズ
4MHz
1
～1
4
～4
Cherenkov光
による信号
リングイメージを再構成するために
＜1MHzであればよい
2007/3/22
学術創成評価委員会 馬塚優里
10/16
Geiger mode APDの性能⑤ ゲインと熱電子ノイズ
ゲインに対する熱電子ノイズ・・・
両者ともバイアス電圧に依存
→兼ね合い
1MHz
新しい4つのサンプル：
同ゲインに対しノイズ頻度＜1/3
100pixel type:
@ゲイン3.6x106 ノイズ600kHz
400pixel type:
@ゲイン1.5x106 ノイズ400kHz
20±3℃
高ゲインでもノイズは1MHz以下
全サンプルの内、新しいサンプル4つは使用可能！
Cherenkovリングの再構成が可能なノイズレベル
2007/3/22
学術創成評価委員会 馬塚優里
11/16
光学オプション
Aerogel RICHでGeiger mode APDを
使用する際の問題・・・受光面サイズ
5mm
2mm
要求：□5mm/チャンネル ⇔ 現在のGeiger mode APD：～1mm2
チャンネルサイズが小さい→
☺画素数が増えて位置分解能は向上
☹しかしチャンネル数が膨大で読み出し困難
(□5mm⇒合計10数万チャンネル必要)
受光面サイズを広げる必要有り
光学オプション（ライトガイド）をつける
Geant4で形状をシミュレーション
□2mm
2007/3/22
学術創成評価委員会 馬塚優里
12/16
ライトガイドの形状最適化シミュレーション
最終的に下の２つの
形状に着目
長さを変えながら集光効率をシミュレーションし形状の最適化
角錐台ライトガイド
5mm
半球ライトガイド
length
2mm
5mm
length
2mm
シミュレーションの設定
入射角0.3rad
入射光の波長400nm
内部吸収なし
材質：アクリル
屈折率：1.47
集光効率最大で長さが最小
角錐台ライトガイド：長さ12mm 半球ライトガイド：長さ9mm
表面反射以外ロスのない形状が可能
2007/3/22
学術創成評価委員会 馬塚優里
13/16
Geiger mode APDを用いたAerogel RICHのシミュレーション
ビーム： P=3.0GeV/c、π中間子
Aerogel： 屈折率1.047、厚さ30mm、
透過長36.3mm(@l=400nm)
20cm
Cherenkov光の発生、Rayleigh散乱、ガイド内の吸収、
光検出器の検出効率を含め、検出光子数を求める
2007/3/22
学術創成評価委員会 馬塚優里
14/16
ライトガイド＋Geiger mode APDによる検出光子数
光子のイベント数
ビームテストで用いた
マルチピクセルPMTとシミュレーションで比較
5mm
2mm
ライトガイド＋Geiger mode APD
Cherenkov光がAerogelを
通って光検出器に到達した数
検出光子数
Aerogelの厚さ30mm
1通過粒子あたり
☞マルチピクセルPMT：8.5個
☞ライトガイド＋Geiger mode APD：32.1個
検出光子数：ライトガイド＋Geiger mode APDではPMTの約4倍！
2007/3/22
学術創成評価委員会 馬塚優里
15/16
まとめ
Aerogel RICH counterにGeiger mode APDを応用することを提案
基本性能（□1mmで測定）
PMTよりも優れた１光子検出能力
高時間分解能(σ～100ps)→ タイムウィンドウの使用可能
光子検出効率→ λ=460nmで45% ! PMTに比べ長波長でも高感度
熱電子ノイズとゲイン→ 1.5x106のゲイン時 ノイズ～400kHz
受光面サイズ
□2mmの受光面→ライトガイドによって実効的に□5mmへ
ライトガイドは幾何学的ロスのない最適な形状を決定
5mm
2mm
Geiger mode APD＋光学オプションというコンセプトは実現可能
最適化したライトガイドとGeiger mode APDを用いた場合
検出光子数は8.5個から32個へと、約4倍向上！
Aerogel RICH counterの性能向上！
2007/3/22
学術創成評価委員会 馬塚優里
16/16
Back up
2007/3/22
学術創成評価委員会 馬塚優里
17/16
Aerogel RICH counterの能力
チェレンコフ放出角qcの決定精度
•1光子当りの角度分解能 : σθ
•検出光子数 : Npe
Proximity focusing の問題点
検出光子数増加のために
厚いエアロジェルを使用できない
チェレンコフ光発生点の
不定性が増大
角度分解能 良
検出光子数 少
Aerogel 薄
角度分解能 悪
検出光子数 大
Aerogel 厚
Photon detector
Photon detector
粒子識別能力 :
S 
qp  q K
sq
Npe
pとKのチェレンコフ放出角の差
q p  q K  23 mrad
(屈折率 : 1.05、P = 4GeV/c)
薄いエアロジェルを用いた場合に
Proximity focusingのポイント どれだけ検出光子数を増加させるか
2007/3/22
学術創成評価委員会 馬塚優里
18/16
Geiger mode APDを用いたAerogel RICH counterの性能
K/p識別能力
識別能力 S   q p  q K  s track
s track  s 1 pe
N pe
strack：1通過粒子あたりの角度分解能
s1pe：1光子あたりの角度分解能
Npe：1通過粒子あたりの検出光子数
検出光子数
Npe
角度分解能
strack (mrad)
4GeV/cでの
識別能力S
PMTでのビームテスト
8.5
4.4
5.2s
ライトガイド+Geiger
mode APD
32.1
2.3
10.1s
(運動量3GeV/c, Aerogelの厚さ 30mm)
ライトガイド＋Geiger mode APDによって
運動量4GeV/cでのK/p識別能力が5.2sから10.1sへ向上！
2007/3/22
学術創成評価委員会 馬塚優里
19/16
Geiger mode APDを用いたAerogel RICH counterの性能
サンプル
H100-new
温度
20℃
バイアス電圧
70.5V
タイムウィンドウ
1ns
熱電子ノイズ
2.5MHz
ゲイン
3.6x106
光子検出効率
最大 65%
測定とシミュレーションを総合した性能見積り
受光面□2mmになりライトガイド使用を仮定
熱電子ノイズ
160mm四方（Cherenkovリングが収まる大きさ）では
ノイズによるヒット：2.5個
K/p識別能力の比較 (運動量3GeV/c, Aerogelの厚さ 30mm)
PMTでのビームテスト
ライトガイド+Geiger
mode APD
検出光子数
Npe
角度分解能
strack (mrad)
4GeV/cでの
識別能力S
8.5
4.4
5.2s
32.1
2.3
10.1s
strack：1通過粒子あたりの
角度分解能
s1pe：1光子あたりの
角度分解能
ライトガイド＋Geiger mode APDによって
運動量4GeV/cでのK/p識別能力が5.2sから10.1sへ向上！
2007/3/22
学術創成評価委員会 馬塚優里
20/16
他の光検出器との性能比較
Aerogel RICH counter用光検出器の候補とその性能
PMT
(Flat Panel)
MCPPMT
HPD
HAPD
SiPM, MRS-APD,
MPPC
Gain
>106
～106
～103
X10～100 in APD
～106
Quantum Eff.
～20%, ～400nm (bialkali)
Collection Eff.
70%
60%
100%
50%
Time resolution
～300ps
～30ps
～150ps
Depends on
readout
<100ps
To be checked
Operation in
magnetic field
×
△
Depends on angle
○
lifetime
Noise, size
Problems
2007/3/22
～80%, ～600nm
to be checked
学術創成評価委員会 馬塚優里
21/16
APD(なだれ増幅型フォトダイオード)の動作原理
なだれ増幅現象
逆バイアス電圧を印加された空乏層中の
キャリアーが電位差に従って動く
逆バイアス電圧が大きく、電位変化が大きい
⇒格子にエネルギーを渡す（エネルギー損失）
よりもキャリアー自身のエネルギーが増加
キャリアーのエネルギー＞平均エネルギー損失（Siでは3.6eV）
⇒電子・ホール対を生成
生成された電子・ホールがキャリアーとなり
同様の現象を繰り返す
2007/3/22
学術創成評価委員会 馬塚優里
22/16
Geiger mode APDの性能 熱電子ノイズの温度依存性
恒温槽を用いて熱電子ノイズの温度依存性を測定
温度によってGeiger放電が起こり始める電圧
(Vbreak)が変化
→各温度でVbreakから一定の電圧Voverを
固定して測定 (Vover=Vbias-Vbreak)
Vover一定⇒温度によらずゲイン一定
熱電子ノイズの発生率は強い温度依存性あり
温度を20℃から10℃に下げると熱電子ノイズは約1/2になる
-40℃では数kHzにまで減少
温度を下げるとゲインを維持したまま熱電子ノイズだけを削減可能
2007/3/22
学術創成評価委員会 馬塚優里
23/16
熱電子ノイズの原因
電子・ホール対は光子以外にも熱エネルギーによっても生成
荷電子帯のキャリアーが熱エネルギーを得て伝導帯に上がる
と光子による信号と同じように振舞う
Siのバンドギャップエネルギー：1.12eV
荷電子帯電子の熱エネルギー：0.025eV @T=300K
差が大きくないため
確率的に伝導帯へ遷移
半導体内で熱励起される確率p(T)
p T   C T
3 2
exp   E g  T

2 kT 
C：物質によって決まる比例定数
T：温度
Eg：バンドギャップエネルギー
k：Boltzman定数
2007/3/22
学術創成評価委員会 馬塚優里
24/16
Geiger mode APDの性能 ゲインのバイアス電圧依存性
Q=C(Vbias-Vbreak)の関係
ゲイン・・・バイアス電圧と
Vbreakの差に比例
100pixel：C～230fC
400pixel：C～70fC
ピクセル数が少ないほど
Cが大きくゲインが高い
バイアス電圧を上げる
→ ☺ゲイン向上
☹しかしノイズも増加
兼ね合いで電圧は決定
2007/3/22
学術創成評価委員会 馬塚優里
25/16
ブレイクダウン電圧
2007/3/22
サンプル
ブレイクダウン電圧(V)
H100-old
70.3
H400-old
67.7
H100-new1
68.4
H100-new2
68.3
H400-new1
68.4
H400-new2
68.3
学術創成評価委員会 馬塚優里
26/16
ライトガイドデザイン 入射角度による集光効率の変化
endcap部への飛来粒子角度・・ビーム軸から0.3～0.6rad（17～34°）
Cherenkov角・・・0.3rad程度（P=4GeV/c）
⇒入射光子角度はトータルで0.0～0.6rad(0～34°)
角錐台ライトガイドの集光効率
0.3radの入射角で最適化した形状では
0.4radで集光効率が70%にまで落ちる
0.3rad以上の入射角でも集光効率がよ
い長さにする必要有り？
しかしGeiger mode APDは磁場方向に影響されないため、
各位置でビーム衝突点方向を向けて並べられる
→入射角～0.3radを考えておけばよい
2007/3/22
学術創成評価委員会 馬塚優里
27/16
ライトガイドの形状最適化シミュレーション
最終的に下の２つの
形状に着目
長さを変えながら各受光面サイズで集光効率をシミュレーションする
半球ライトガイド
角錐台ライトガイド
シミュレーションの設定
入射角0.3rad
入射光の波長400nm
内部吸収なし
材質：アクリル
屈折率：1.47
□1mmでの集光効率 最大～40%→ □1mmでは難しい
□2mm以上では表面反射以外ロスのない形状が可能
2007/3/22
学術創成評価委員会 馬塚優里
28/16
Aerogelの厚さに対する検出光子数
Aerogelを厚くしたときの
Npeのふるまい→予想値と合う
ビームテストの結果でもこの
予想値と合っていた
→シミュレーションが正しいと
いえる
2007/3/22
学術創成評価委員会 馬塚優里
29/16
シミュレーションの補正
ライトガイドと
Geiger mode APD
マルチピクセルPMT
Npe≒25.0
Npe≒6.2
(c.f. Npe≒3.9
@beamtest)
検出光子数：Geiger mode APDではPMTの約4倍！
PMTを用いたシミュレーション：ビームテスト結果に比べ検出光子数
が1.6倍多い →ライトガイドとGeiger mode APDの結果も1.6倍
2007/3/22
学術創成評価委員会 馬塚優里
30/16
K/p飛行時間差(TOF)情報の付加
Belle検出器内のK/pの飛行時間差
低運動量ほど識別が容易
TOF～300ps @ チェレンコフ閾値
Geiger mode APDの時間分解能
σ～100ps
チェレンコフ閾値以下でも積極的
K/p識別が可能！
2007/3/22
学術創成評価委員会 馬塚優里
31/16
Geiger mode APDの性能 時間分解能
ゲイン測定と同じセットアップで時間分解能を測定
１光子照射で２つのレーザーでそれぞれ測定
Sample:
noise:～1.0MHz
Sample:H100-old,
C556-2, noise:～1.2MHz
l=635nm
l=635nm
long tail(～
4ns) σ～103ps
l= 405nm
違いが見える
s~69ps
short tail(～0.5ns)
σ～110ｐｓ
s~142ps
通常のPMT（～数100ps）に比べ高時間分解能→タイムウィンドウを使うには十分
波長依存性について：同じセットアップでPMTも測定→違いはなし
→Geiger mode APD固有の性質？
2007/3/22
学術創成評価委員会 馬塚優里
32/16
時間分解能の波長依存性の考察
シリコン内の光吸収長 a = f (l
l
(nm)
あるGeiger mode APDでの電界強度分布
（実際の測定サンプルとは異なる）
reference: ICFA Instrum.Bull.23:28-41,2001
s(ps) tail(ns) a(mm)
410
140
~0.5
639
70
~4
赤(l=635nm) :
0.16
3.65
Geiger領域で吸収
→早い信号
drift領域で吸収
→遅い信号、TDCで長いテールとなる
青(l=405nm) :
(mm)
hn
Geiger領域に到達する前に吸収
→TDCでは短いテール,
Geiger領域に達する前のふらつき大
sを悪化させる
e- h
e- h
e- h
n+
hn
p+
e- h
pe- h
e- h
電界強度分布と波長によって時間分解能が変化する
R&D次第でさらに高時間分解能も可能
2007/3/22
学術創成評価委員会 馬塚優里
33/16