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T2K実験 前置検出器のための 光検出器MPPC/SiPMの性能評価 田口 誠、西川 公一郎、中家 剛 横山 将志、信原 岳（京大理） KEK測定器開発室 内容 MPPC/SiPMについて 基礎特性評価(PDE,リニアリティ) ビームテスト@KEK レーザーテスト まとめ MPPC (Multi Pixel Photon Counter) 100~1000 APD ピクセル in 1mm2 それぞれのピクセルはガイガーモード で動作する (入射フォトン数に依存しない) 1mm 1mm 出力信号は各ピクセルからの出力の アナログ和 SiPMはロシア製のものの名称 1p.e 1p.e 0p.e MPPCのadc分布 MPPCのadc分布 0p.e T2K前置検出器で使用予定 測定に用いたMPPCのタイプ タイプ HPK21 ピクセル バイアス 数 電圧 100 ~70V 測定項目 ゲイン、ノイズレート、クロ ストーク率、PDE、リニア リティ、ビームテスト、 レーザーテスト HPK32 400 （最新のサンプル） ~69V ゲイン、ノイズレート、クロ ストーク率、PDE、リニア リティ HPK53 100 （最新のサンプル） ~69V ゲイン、ノイズレート、クロ ストーク率、PDE、リニア リティ •ゲイン、ノイズレート、クロストーク率については前回の学会で報告済み 基礎特性評価(PDE) PDE(photon detection efficiency)=QE×εpixel×εgeiger (QE:量子効率, εpixel：受光面の割合,εgeiger:ガイガー放電を起こす確率) PMTとの相対的なPDE セットアップ •HPK32はPMTの2倍のPDEを持ち、 2 リファレンス用PMT 2 青色LED T2Kの要請(PDE>15%)を満足する 1 波長変換ファイバー MPPC 1mm径スリット HPK32(400ピクセル) 1 550 68.6 68.8 69.0 550 670 760 バイアス 69.3 電圧(V) 900 ノイズレート （kHz) 基礎特性評価(リニアリティ) HPK32(400ピクセル)について ガイガー放電 を起こしたピク セルの数 (予想値－データ)/ 予想値 HPK32のリニアリティ曲線は予想曲線 と一致し、T2Kの要請(ダイナミックレン 200 +5% ジ~200)を満足する 100 -5% ピクセル数、クロストーク率 から計算される予想曲線 100 入射p.e数 300 100 入射p.e数 300 ビームテスト@KEK 動機 T2K 前置検出器と同じ読み出し条件で、 HPK21(100ピクセル) MPPCによってT2Kの要請(MIPに対して>5p.e)を満たす光量が得られるか MPPC ビーム 13.3p.e リファレンス用 64ch MAPMT π HPK21(古いサンプル) MIPに対して、測定したPDEから予想される通 p PDEはPMTと同じくらい りの光量を得ることができた 0.8GeV/c PMT 18.2p.e 1mmΦ波長変換 ファイバー シンチレータ1.3x2.5x50 cm3 (K2K実験のScibar検出器 で使用していたもの） レーザーテスト 100μm •レーザーをピクセルごとに 入射し、MPPCのピクセル ごとのふるまいを調べた レー ザー源 顕 微 鏡 λ=825nm パルス幅 50ps 測定項目 HPK21(100ピクセル)について -ピクセル内での検出効率の 分布 -ピクセルごとのゲイン、検出 効率のばらつき MPPC 移動ステージ 1μm ピッチ (x , y) レーザースポットサイズ ≒10μm ピクセル内での検出効率分布 受光面 70x70μm •１ピクセル内でレーザーを２次元スキャン し、各ポイントごとの検出効率を調べた 受光面の全領域で検出効率はフラット 100μm 10μm ピッチ レーザー Efficiency 計 100 ポイント スキャン 1p.e. y 0p.e. x 100μm 100μm 0.5p.e. 検出効率= 全イベント数における ０．５p.e.以上の割合 ピクセルごとのゲイン、検出効率のばらつき y •ピクセルごとの応答は よくそろっている RMS/mean=3.6% 計100ピクセル スキャン RMS/mean=2.5% 相対検出 効率 相対ゲイン y x x y x まとめ PDE、リニアリティともにT2Kの要請を満たした 実機と同じ環境でよってMIPに対しT2Kの要請 を満たす光量を得た ピクセル毎の応答はよくそろっている T2Kの要請を満たすサンプルが作れる段階になってい ることを示した 今後の 予定 400ピクセルのサンプルについてピクセル毎のふるまい 大量生産したときの個体差 読み出し回路、ファイバーとの位置合わせの方法 supplement T2K実験 •νμντ振動パラメーターの精密測定 •νμνe振動モードの発見 前置検出器 SK オフアクシス 検出器 ν J-PARC オンアクシス 検出器 T2K実験 前置検出器 オフアクシス 検出器 •前置検出器のほとんどの部分でシンチレー ター＋波長変換ファイバー読み出しを用いる 大量の波長変換ファイバーを狭いスペース で読み出す光検出器が必要 •オフアクシス検出器の全体が0.2Tの磁場中 に置かれる 磁場中でも安定に動作することが必要 電磁石 オンアクシス 検出器 これらの要請を満たす 光検出器としてMPPC/SiPM の使用が決まっている ノイズレート測定 • MPPCは光を当てていない状態でも、熱によるピクセルの 放電が起こっている (1p.eパルスが典型的） • 測定は 光を当てていない状態で、信号に対して 0.5p.e, 1.5p.e でスレッショルドをかけ、そのカウントレートをとった イベント数 104 イ 1.5p.e # event 0.5p.e 3 10 ベ ン ト2 10 数 10 0p.e 1p.e 2p.e ADC カウント ■ 0.5p.e スレッショルド ノイズレート測定 ▲ 1.5p.e スレッショルド HPK32(400ピクセル) HPK53(100ピクセル) 1MHz 100kHz 15℃ 20℃ 15℃ 20℃ 25℃ 68.4 バイアス電圧(V) 25℃ 69.6 68.4 バイアス電圧(V) 69.4 ゲイン測定 2p.e MPPCゲイン=1ピクセル が放電した時に放出す る電荷量 1p.e 3p.e LEDの光を当てた ときのADC分布 0p.e 0p.eと1p.eのadc カウ ントの差からゲインを 計算 adc カウント ゲイン測定 HPK32(400ピクセル) HPK53(100ピクセル) 3× 106 1× 106 15℃ 20℃ 1× 106 3× 105 68.4 69.6 25℃ 68.4 バイアス電圧(V) 15℃ 20℃ 25℃ バイアス電圧(V) 69.4 クロストーク率測定 クロストーク ‥あるピクセルがガイガー放電している時にフォ トンが発生し、他のピクセルのガイガー放電を引き起こすこと 光を入れない状態でとったデータ のうち、2p.e以上のノイズを1p.e ノイズがクロストークしたものと考 えると、 104 103 102 10 クロストーク率 = 1 . 5 p .e 以上のカウント数 0 . 5 p .e 以上のカウント数 0.5p.e 1.5p.e と計算できる クロストーク率測定 HPK53(100ピクセル) HPK32(400ピクセル) 0.3 0.1 68.4 バイアス電圧（Ｖ） 69.6 68.4 バイアス電圧（Ｖ） 69.4 基礎特性評価(PDE) •縦軸の値はPMTとの相対的なPDE HPK53（100ピクセル) HPK32(400ピクセル) HPK21(100ピクセル) 2 1 T2Kの要請を満たす 範囲 500 900 ノイズレート(kHz) T2Kの要請を満たす 範囲 550 ノイズレート(kHz) 900 ノイズレート(kHz) 400 ノイズレート(kHz) 900 ノイズレート(kHz) •HPK32、HPK53はHPK21に比べて2倍のPDEを持つ •HPK32、HPK53は~1Vの電圧範囲でT2Kの要請を満たす 基礎特性評価(リニアリティ) MPPCは各ピクセルがガイガー モードで動作するため、1ピクセル に2つ以上のフォトンが入っても1 つとしか数えられない ピクセル数が有限であるため入射 フォトン数が大きくなると、1ピクセ ルに2つ以上のフォトンが入る確 率が大きくなり、入射光量に対して MPPCの出力が線形でなくなる PMT 一様光 青色LED MPPC 図のようなセットアップでMPPCの入射光量をPMTで モニターし、MPPCのリニアリティを調べた リニアリティ測定 リニア からの ずれ HPK32(400 ピクセル) ノイズレー ト=600kHz 直線で フィット 10% ピクセル数から計 算される理論曲線 150 入射p.e 20% 100p.e 200p.e 入射p.e リニア からの ずれ HPK21(100 ピクセル) 10% ノイズレート =600kHz 20% 30 入射p.e 25p.e 40p.e 入射p.e パッケージ構造による光量のロス •MPPCの表面の保護膜と受光面まで は0.8mmぐらいの距離あり、ファイ バーを出た光は40度くらい広がる 1mm 波長変換 ファイバー MPPCの受光面に入る光は減少する リファレンス用 PMT 青色 LED スキャン φ1mm波長変換ファイバー MPPC(1mm2受光面) 図のようなセットアップ でMPPCとPMTのp.e数 を比較し、パッケージ構 造による光量のロスを 含んだPDEを測定した パッケージ構造による光量のロス •縦軸の値はPMTとの 相対的なPDE HPK53(100ピクセル) ▲ PDE ■パッケージ構造による光量のロスを考慮したPDE HPK32(400ピクセル) HPK21(100ピクセル) 2 2 60% 50% 1 60% 500 500 900 900 ノイズレート(kHz) •パッケージ構造により光量は 50~60%になっている 550 ノイズレート(kHz) 900 ノイズレート(kHz) 400 900 ノイズレート(kHz) HPKにパッケージ構造の改良を要求した Pとπの光量分布 MPPCによるp/π識別が可能である 1.2GeV 1.0GeV 0.9GeV 1.2GeV 1.0GeV 0.9GeV π p 0.8GeV 0.7GeV 0.5GeV 0.6GeV 0.8GeV 0.7GeV 0.5GeV MPPC MAPMT 0.6GeV MIPに対するMPPCとPMTの光量 MPPCの種類 MPPC p.e for MIP PMT p.e for MIP PMTとの光量の比 HPK21#13 9.9 18.3 54 HPK21#14 10.2 18.2 56 HPK21#16 13.3 18.2 73 •ファイバーとMPPCとの位置合わせのずれと、MPPCのパッケージ構造 による光量のロスを考慮すると、得られた光量は測定したPDEから予想 される値とほぼ一致した •MIPに対しT2Kの要請を満たす光量が得られた ビームテストでのファイバーの位置合わせ MPPCのパッケージ内での受光面の位 置はサンプルごとにばらついている Y 0.8mm Z サンプルごとにファイバーの位置合 わせを行った X XY方向の位置合わせ 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のシ 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%の光量のロスが存在する 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 PDE測定 Y MPPC スリット この点でPDEを測定 x PMT 1mm径スリットを通ってきた光だ けをとらえるようにする 2mm MPPCとPMTを移動ステージで2 次元スキャンし、それぞれ光量 が最大の点を探す MPPC X方向 光量が最大の点でのMPPCと スキャン PMTのp.e数の比をPMTとの相 対的なPDEとする 2mm MPPC Y方向 スキャン