Transcript (MPPC)の R&D状況 - JLC

Multi-Pixel Photon Counter (MPPC)のR&D状況
- GLDCALでの使用に向けて2006 6/28 学術創成会議
魚住 聖 (筑波大学)
1. Introduction
2. R&Dの現状
3. まとめと今後の計画
The GLD Calorimeter
EM-Scintillator-layer model
absorber plate
TT 10Aug05
• Sampling calorimeter with Pb/W - scintillator
sandwich structure with WLSF readout
• Particle Flow Algorithm (PFA) needs particle
separation in the calorimeter
• Fine granularity with strip/tile scintillator
T-Layer
4cmx4cmx2mm
MPC R/O with WLSF
• Huge number of readout channels
– ~10M (ECAL) + 4M (HCAL) !
– 10k for muon detector
X-Layer
1 cmx4cmx2mm
MPC R/O with WLSF
• Used inside 3 Tesla solenoid
Z -Layer
What kind of photon sensor we
should use for readout?
Obviously the PMT is not in the
options.
1 cmx4cmx2mm
MPC R/O with WLSF
particles
The Multi-Pixel Photon Counter (MPPC)
… is a novel type photon sensor operated in Geiger mode
400 pixels
~ 1 mm
20~100 mm
~ 8 mm
Depletion
region
~ 2 mm
Substrate
Si Resistor
Vbias
Guard ring np+ n+
Al conductor
p-
substrate p+
1600 pixels
Charge
MPPC performance
PMT
MPPC
Gain
~106
105~106
Photon counting
Yes
Great
Bias voltage
~ 1000 V
30 ~ 70 V
Photon Detection
Efficiency
0.1 ~ 0.2
0.1~ 0.4
Size
Small
Compact
B field
Sensitive
No influence
Dynamic range
Good
Not so good
Stability
Good
Unknown
Noise
Quiet
Noisy (Order of MHz)
Response
fast
fast
Cost
Not cheap
Cheap ($1~10?)
GLDCALの読み出しにうってつけ！
それどころか、近い将来PMTに取って代わってしまうかも？
Required performance for the GLDCAL
• Gain: ~ Best to have 106 , at least 105
• Dynamic range: can measure ~1000 p.e.
– satisfactory to measure EM shower maximum
– need > 2500 pixels
• P.D.E. ~ 30 %
– to distinguish MIP signal
• Noise rate : ~ 1 MHz (0.5 p.e. threshold)
• good uniformity, small cross-talk
• Timing Resolution ~ 1 nsec
– Necessary for bunch ID, slow neutron separation
• Sensor area: 1.5 x 1.5 mm
– suitable for 1.5 mmf fiber
• Should be stable against bias voltage / temperature / time
R&D Status @ GLDCAL
• MPPCの性能はGLDCALにうってつけに見えるが、
解決すべき課題は多い。
• まずは各種の基礎特性をきちんと理解し、どの点に
おいて改良が必要なのか考えることが必要。
• 現在は浜松ホトニクスと連携して試作品テストをしている
段階であり、試作サンプルを3個程度づつもらっている。
• それらの基礎特性を評価し、浜ホトにfeedbackをかけて
より性能の高い（我々のgoalに近い）サンプルに近づけ
ていく。
• 昨年度から既に2-3回のiterationが繰り返され、現在は
今年初めに供給された400 / 1600 pixelサンプルの性能
を評価中
Green LED MPPC
400 pixel
with x63 amp
Gain vs Bias Voltage
Gain 
C
(V bias  V 0 )
e
– C … ピクセル容量
– V0 … ガイガーモード開始電圧
• 400 pixel x2 は特性が非常に揃っている
• 1600 pixelはゲインが低い(1.5~3 x 105)
400 pixel x 2
C = 0.13 ± 0.01 pF
V0= 67.60 ± 0.01 V
1600 pixel
C = 0.02 ± 0.01 pF
V0= 67.40 ± 0.02 V
Noise Rate (1600 pixel)
Thresholdをminimum(25mV),0.5p.e.,1.5p.e.相当に設定して測定
thr=minimum
2 MHz
thr=0.5pe
thr=1.5pe
●
●
●
●
●
-20℃
-10℃
0℃
10℃
20℃
1 MHz
by 佐野（神戸）
Laser System @ KEK
• YAG Laser ( = 532 mm)
• Pulse width ~ 2 nsec
• Spot size ~ 1 mm
• Moving stageの位置決め精度 ~ 0.02mm
• 非常に絞られたレーザーによりpixel内の
一点づつを狙い撃ちして応答の違いを測定
できる。
~２５mm
レーザースポット
（減光前）
MPPC
Pixel内scan – 検出効率
efficiency =
N 0.5 pe
N All
> 0.5 p.e.のイベント数
全てのイベント数
One pixel
• 有感領域の割合は20％程度
• 有感領域内でのefficiencyのばらつきは6.6-13.4%程度
Pixel内scan – Gain
• 有感領域内のみの結果
• 中央から端に向けてわずかにGainが下がる
• 有感領域内でのGainのばらつきは2.1%程度
Summary & Plans
• MPPCは非常に大きな可能性を秘めたデバイス
• GLDCALでの使用に向け、浜ホトや測定器開発室と連携して
基礎的な性能の評価 / 改善が進んでいる。
• しかし、現在の / これからのサンプルに対して、理解すべき事は
まだまだ大量にある。
– Gain, ノイズレート、P.D.E., Linearity及びそれらの温度依存性
– 耐久性、長期安定性、磁場耐性
– 時間分解能
– デバイスごとの性能のばらつき
• Full simulationを用いて、MPPCへの要求性能をきちんと
studyする事も必要。
• EMCALのビームテストでの使用に向けた準備も必要。
(Next talk by 伊藤さん)