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【 R&D of MPPC 】
the basic performance of MPPC,
and the plastic packages
S.Gomi, T.Nakaya,
M.Yokoyama, M.Taguchi, (Kyoto University)
T.Nakadaira, K.Yoshimura, (KEK)
for KEK-DTP photon sensor group
Dec.12.2006 Colloquium
1
Contents
• Introduction
• Improvement of performance
–
–
–
–
–
–
GAIN
noise rate
Cross-talk rate
Photon Detection Efficiency ( PDE )
Linearity
LASER test
• Connection with fiber
– Screw type
– Cap type
2
【 Introduction 】
3
Multi-Pixel Photon Counter ( MPPC )
• Multi-Pixel Photon Counter ( = MPPC ) は、浜松ホトニクス
(HPK)で開発が進められている、新型の光検出器である。
• MPPC は1mm×1mmの感受光領域に100~1600のAPDを持って
いる。これらが、光を『感知した』か『しない』かの2通りのシグナル
を出すことで、MPPCはフォトン数に関して優れた分解能を持つ。
1pixel
50  m  50  m
6mm
MPPC
400ピクセルMPPCの感受光領域
4
1 APD pixelの動作原理
• APD (Avalanche Photo Diode)は、逆電圧をかけることで
半導体のpn接合部に高電場領域を形成し、そこで電子
雪崩を起こし信号を増幅するフォトダイオードである。
V+
γ
p+ absorption region
hole
p
n
e-
GND
E
電子雪崩 による増幅
VBD = ブレイクダウン電圧
印加電圧がある値VBDを超える
と、僅かな光に対しても放電を
起こすようになる。
この時の増幅率は106倍にもなり、
シグナルの大きさは入射フォトン数
によらない
光が『入った』か、『入らな
かった』か、だけが解る5
ガイガーモードAPDとクエンチング抵抗
Vbias ( ＞ Vbd )
photon
I
Liner Geiger
-mode -mode
quenching resistor
quenching
ON
discharge
Geiger-mode APD
OFF
Vbd
charge
Vbias
V
×ピクセル数
(100, 400, 1600…)
6
MPPCの持つ利点
1.
2.
3.
4.
5.
優れたフォトンカウンティング能力を持つ
コンパクトである
磁場に影響を受けない
低バイアス電圧、高ゲインで動作する
高い光子検出効率を有する
T2K実験の前置検出器
7
T2K 実験
MAIN
GOAL
• νμ→ντ ニュートリノ振動の精密測定
•νμ→νe ニュートリノ振動の世界初の観測
8
T2K 実験での MPPCの役割
OffAxis
detector
target
OnAxis
detector
SK
• 前置検出器のほとんどの部分
では、シンチレーター+WLSファ
イバーで読み出しを行う。ファイ
バーを外まで引くのが困難な為、
内部に置きたい。またその方が
光量を得ることもできる。しかし
空間は限られている。
 コンパクト
• Off Axis 検出器は、0.2Tの磁場
中に置かれる。
 磁場中で動作
MPPCはこれらの要請に
応えることができる。
9
【 Improvement of performance 】
• gain
• noise rate
• cross-talk rate
• Photon Detection Efficiency ( PDE )
• Linearity
10
Gain
• MPPCのゲインは以下の式で与えられる。
GAIN 
Q(1p.e.) - Q(pedestal )
e
ADC distribution
GAIN 
Q

e
C
e
(V - V bd )
1p.e signal
Vbd
2p.e
V
pedestal
set up
* STATUS DATA *
400 pixel MPPC
BIAS : 70.0V / VBD =68.8V
3p.e
4p.e …
LED
ゲインはADC分布の、1p.eピークとペデスタルの
•青のLEDからの微弱
ピークとの間の差分で定義される
光をMPPCで観測する。
MPPC
11
Gain
Gain 100pixel
Gain 400pixel
3×10^6
10^6
10^6
5×10^5
69
69.5
69.8
69.6
70
Bias voltage [V]
MPPCは高ゲインな検出器である
このゲインとバイアス電圧との関係から、ブレイクダウン
電圧を求めることができる
ブレイクダウン電圧は、温度の関数である。
70.6
Bias voltage [V]
青 : 15℃
緑 : 20℃
赤 : 25℃
12
Gain
D V  V BIAS  V bd
Gain 100pixel
Gain 400pixel
3×10^6
10^6
10^6
5×10^5
0.2
DV
1
1.6
0.8 1
• ゲインはDVのみの関数である。
2
青 : 15℃
緑 : 20℃
赤 : 25℃
2.4
DV
13
Noise rate
• 半導体光検出器であるMPPCでは、熱電子によるノイズ
が非常に多く現れてくる。熱電子起源の為、これらのノイ
ズは一般的には1p.eと同じシグナルになる。
• ここではスレッシュホルドを、0.5p.e・1.5p.eに設定し、光
の進入の無い状態でそれを超えてくるものをノイズと定義
し、測定を行った。
“ 1p.e noise ”
0.5 p.e = threshold
p.e ”
“ 2p.e 1noise
100pixel MPPC (25℃)
でのノイズのシグナル
1.5 p.e = threshold
14
青 : 15℃
緑 : 20℃
赤 : 25℃
Noise rate
Noise rate [ MHz ] 100pixel
Noise rate [ kHz ] 400pixel
400kHz
500kHz
1p.e noise
1p.e
2p.e noise
2p.e
100kHz
100kHz
69.1
69.5
70
69.2
Bias voltage [V]
• 1p.e ノイズは、約100~400 kHz.
• 2p.e ノイズは、約 0~200 kHz.
70
70.4
Bias voltage [V]
15
Noise rate
Noise rate [ MHz ] 100pixel
D V  V BIAS  V bd
Noise rate [ kHz ] 400pixel
400kHz
500kHz
1p.e
1p.e
2p.e
2p.e
100kHz
100kHz
DV
0.5
1
1.5
0.5
1
1.5
2
2.3
DV
• 1p.e ノイズは、温度とDVとの両方の関数である。
2p.e ノイズは、DVのみの関数に見える。これには、 “Cross-talk”
が関係している。
青 : 15℃
緑 : 20℃
16
赤 : 25℃
improvement of noise rate
Noise rate [ MHz ] 100pixel
20℃
Noise rate [ kHz ] 400pixel
06.Jan
05.Apr
05.Apr
1MHz
1MHz
06.Jan
06.Oct
06.Oct
0.5
ΔV
1
1.5
06.Oct
2
1
2
青  緑  赤  ( 桃色 )
3
4
5
6
7
ΔV
• ノイズレートは順調に減ってきていることがわかる。特にT2K評
価サンプルでは、1MHzという当初の目標設定をはるかに超えて
17
いることがわかる。
improvement of gain
Gain 100pixel
06.Oct
06.Jan
10^6
ノイズ [MHz]
0.5
1
10^6
06.Jan
05.Apr
0
20℃
Gain 400pixel
06.Oct
06.Oct
横軸=ノイズレート
05.Apr
1.5
0
青  緑  赤  ( 桃色 )
0.5
1
ノイズ [MHz]
• 時系列にしたがって、その性能が高まっていっている。
18
Cross-talk rate
• クロストークとは、あるピクセルにフォトンが進入し電子
雪崩を起こした際に放出されたフォトンが、隣のピクセ
ルに侵入し、また別の電子雪崩を引き起こすことを意
味している。
隣の、『外部からフォトン
が侵入していないはず
のAPD』も、シグナルを
出してしまう。
となりの pixel
g
Avalanche
g
“ Cross-talk “
19
Cross-talk rate の測定
• クロストークレートは、得られたデータの1p.eの個数か
ら計算される。
測定
ペデスタルの個数はクロストークに因らない
• Poisson分布を仮定
1p.e の個数 : P(1)
( estimated by pedestal )
||
cross-talk 含まない
1p.e の個数 : P(1)
( measured )
||
cross-talk 含む

この差がクロストークによる損失を表している。
The cross talk rateは、
このように定義できる
cross talk rate 
P (1)  -Poisson
distributi on
P (1)  -Poisson
- P(1)
 -measured
20
distributi on
青 : 15℃
緑 : 20℃
赤 : 25℃
Cross-talk rate
Cross-talk rate 100pixel
Cross-talk rate 400pixel
50%
50%
10%
69
69.5
69.8
Bias voltage [V]
10%
69.6
70
70.6
Bias voltage [V]
• HPK推奨電圧でのクロストークの値は、20℃
の時で約20%。
21
Cross-talk rate
Cross-talk rate 100pixel
D V  V BIAS  V bd
Cross-talk rate 400pixel
50%
50%
10%
0.2
DV
1
1.6
10%
0.8 1
• Cross-talkは、DVのみの関数である。
2
2.4
DV
青 : 15℃
緑 : 20℃
22
赤 : 25℃
improvement of cross-talk rate
Cross-talk rate 100pixel
06.Oct
Cross-talk rate 400pixel
50%
06.Oct
横軸=ノイズ
06.Oct
20℃
50%
05.Apr
06.Jan
05.Apr
06.Jan
0
ノイズ [MHz]
0.5
1
1.5
0
青  緑  赤  ( 桃色 )
0.5
1
ノイズ [MHz]
• クロストークも、時系列にしたがって上がっていってしまっている。
これは、有感領域の向上に伴うものなのか、それとも内的な要
23
因が有るのか･･･。
Photon Detection Efficiency
• Photon Detection Efficiency ( = PDE )は、以下の式
で定義される。PDEは3つの要素から成る。
PDE   Geometrica l  QE   Geiger
Geometrical Efficiency.
全領域に対する有感領
域の大きさ (50%~70%)
MPPCの種類に依存
有感領域のQuantum
Efficiency (60~80%)
観測するフォトンの波長に依存
ガイガー放電を起こす確
率(60~90%)
バイアス電圧に依存
MPPCは緑の光に対して高いQEを持つ。
24
relative PDE の測定
・1mmφのスリットを通過し
set up
移動ステージ
てきた光のみを検出する。
・MPPCで観測された光電
1mmφスリット
PMT
青色LED
子数の、PMTで観測され
た光電子数に対する比を、
『 relative PDE 』として定
義する。
MPPC
( 有感領域=1mm2)
relative
PDE 
p.e.(MPPC)
p.e.(PMT)
PMT = HPK製, type H8643
25
青 : 15℃
緑 : 20℃
赤 : 25℃
relative PDE
Relative PDE 100pixel
Relative PDE 400pixel
3
2
2
1
1
69
69.5
69.8
Bias voltage [V]
69.6
70
70.6
Bias voltage [V]
• MPPCは、PMTに比べ 2~3倍高いPDEを
持っている。
26
D V  V BIAS  V bd
relative PDE
Relative PDE 100pixel
Relative PDE 400pixel
3
2
2
1
1
0.2
DV
1
1.6
0.8 1
• PDEは、ΔVの関数である。
2
青 : 15℃
緑 : 20℃
赤 : 25℃
2.4
DV
27
improvement of PDE
Relative PDE 100pixel
横軸=ノイズ
20℃
Relative PDE 400pixel
06.Oct
2
06.Oct
06.Oct
2
06.Jan
06.Jan
1
05.Apr
05.Apr
1
0
0
ノイズ [MHz]
0.5
1
0
青  緑  赤  ( 桃色 )
0.5
1
ノイズ [MHz]
• 『進歩』が最もはっきり目に見える形で現れている。最
新のサンプルでは、PMTの3倍程のPDEを誇る。 28
Summary of improvement
• 今までのMPPCサンプルの持つ性能を、100ピクセル･
400ピクセル、各々について時系列に従って並べてみる。
(20℃)
100
pixel
400
pixel
ΔV
[V]
ゲイン
×10^5
クロス
トーク
PDE
(PMT)
0.6~1.2 0.2~0.8
8~30
0~40
0.4~1.3
06.Jan
1.2~2.0 0.4~0.9
17~29
13~33
1.2~1.7
T2K-11-100C
06.Oct
0.6~1.4 0.1~0.3
13~30
11~51
1.0~2.2
T2K-11-100U-m
06.Oct
0.6~1.2 0.1~0.3
13~26
8~36
1.2~2.6
1-32
05.Apr
6.0~7.0 0.1~1.2
6~7
7~36
0.1~0.7
311-32A-002
06.Jun
1.1~1.9 0.6~1.2
6~10
7~23
1.1~1.9
T2K-11-050C
06.Oct
1.1~1.9 0.1~0.3
6~11
12~42
1.4~2.1
型番
時期
21-53-1A
05.Apr
311-53-1A-002
ノイズ
[MHz]
29
Linearity
MPPCは、そのピクセル数に上限を持つ
( 100pixel, 400pixel,… )
MPPCは、進入してくるフォトン数がピクセ
ル数に対して大きくなってくると、線形なデ
バイスとしては動作しなくなる。
• Linearityは以下の式で定義される。
Linearity
fired pixel number

injected
( MPPC )
photoelect ron( monitor
by PMT )
紙
set up
MPPC
PMT
MPPCに入るフォトン数はPMTを用
いてモニターする。
( LEDの光をぼかす)
30
Linearity
linear
25%
青 : DATA plot
緑 : expectation
Injected photoelectron per pixel
Linearity 400pixel
Fired pixel [ % ]
Fired pixel [ % ]
Linearity 100pixel
linear
25%
青 : DATA plot
緑 : expectation
Injected photoelectron per pixel
• 緑色の線は、ピクセル数から計算した理論値を表している
MPPC は以下の領域では線形に動作する。
N fired
~25p.e

 x   100pixel  N : ピクセル数
0
  400pixel
 N 0   1  exp~100p.e





N
 0 
 x : 光電子数

31
KEKでのレーザーテスト
顕微鏡を用いての写真
100μm
・ MPPCの各ピクセルから
の応答を測定する。
•
•
1ピクセル内でのばらつき
ピクセル間でのばらつき
Laser
source
λ=825nm
width 50ps
microscope
* 動機 *
MPPC
ばらつき…
• gain
• cross-talk rate
• efficiency
測定結果は HPKへ
レーザースポットサイズ
≒数μm
移動ステージ
0.2μm pitch (x , y)
32
efficiency
1ピクセル内で
のばらつき
Efficiency, Gain
(有感領域内)
100pixel
Cross talk rate
1ピクセル内の応答
0.25
は良く揃っている。
有感領域
Cross-talk rate
RMS/mean=2%
(有感領域内)
有感領域の端で、中央よりも
高くなっている
GAIN
もし電子雪崩が有感領域の端で起
こった場合、生じたフォトンが隣のピ
クセルに入る確率は中央で起こった
場合と比べ近い分高くなる。
(cross-talk)
RMS/mean=2%
33
ピクセル間でのばらつき
100pixel
ピクセル間での応答は良く揃っている。
efficiency
GAIN
RMS/mean=3%
RMS/mean=3%
34
Summary
• 新しいMPPCは十分に高い性能を有している。
(クロストークをもう少し減らせないだろうか)
100pixel
Gain
Noise rate(1p.e) [ kHz ]
Cross-talk rate
PDE
Uniformity
within 1 pixel
of each pixel
1  10 ~ 3  10
6
400pixel
6
4  10 ~ 2  10
5
100 ~ 400
100 ~ 400
0 ~ 50 %
0 ~ 50 %
~ 3  PMT
~ 2  PMT
Uniform(2~3%)
35
6
【 Connection with fiber 】
• Test connector prototype
– screw model : type 1, and 2
• Planning about cap model
36
Connection with fiber
• 前置検出器では、シンチレーターからの光をWLSファイ
バーを用いて読み出す。そのため、ファイバー端面と
MPPC表面とを、「簡単に」「正確に」「個体差が無く」「完
全に密着させて」接続する、「遮光性の高い」「コンパクト
で」「丈夫な」コネクターが必要になる。
このコネクターについて、『ネジ式』・『キャップ式』の
37
2種類を考案した。
ネジ式コネクター : Type 1
WLSファイバー
ファイバー
ハウジング
MPPC
MPPCハウジング
• Type 1は2パーツで構成される。2つはネジによって固定される。
38
ネジ式コネクター : Type 2
WLSファイバー
固定枠
ファイバー
ハウジング
MPPC
• Type 2は3つのパーツで
構成される。
MPPCハウジング
39
利点と欠点
• ネジ式の利点 …
– ネジによって密着度は最大まで出る
– ファイバー中心とMPPC中心とは簡単に合わせることができる
– 構造が単純なために、耐久性が高く、またコストの面でも良い。
• ネジ式の欠点 …
– 狭い所で10000個分もネジを回すのは面倒くさい。
利点
欠点
ネジ式
Type 1
再現性がより高い
両パーツとも固定すると接
続不可
ネジ式
Type 2
両パーツとも固定して
も接続可
再現性がType 1より悪い
可能性有
40
再現性
3%
15%
RMS/Mean = 0.0175
RMS/Mean = 0.0956
• Type 1は良い再現性を有している。
• Type 2はType 1程は再現性が高くない。この違いは
先に述べた理由によるものなのだろうか?
41
Cap Type パッケージでの密着性
• キャップ式では、MPPC表面と
ファイバー端面との間の密着性
が一番の問題になる。
• 最も簡単な解決策はバネやゴ
ム･スポンジ等を仕込むことであ
るが、パーツが細分化され、扱
いにくい。
ゴム・バネ･･･
Not so good ・・・
ゴム・バネ･･･
Not
構造だけから密着性を達成する
実用的なプランを考える。
so good ・・・
パーツ × ４
42
キャップ式
コネクター
爪の部分が弾性力で締め
付ける。
ファイバーハウジングを下に
圧し付ける力が生まれる
43
Summary
• プラスチックパッケージは実験で用いるのに十分
な再現性を有している。PDEの損失もごく小さいも
のと予想される。
• しかし、ネジ式は狭い場所では接続が困難。
• 現在 cap typeを考え中。密着性･アライメントの面
でネジ式に匹敵する性能を有するであろうと予想
される。
44
【 Supplements 】
45
Gain of MPPC : 横軸=ΔV
cross-talk rate of MPPC : 横軸=ΔV
46
PDE of MPPC : 横軸=ΔV
VBD [V]
25degree
100pixel
68.80
400pixel
68.83
20degree
68.52
68.51
15degree
68.25
68.20
VBDの
温度依存性
47
efficiency
Uniformity
within 1pixel
400pixel
Cross talk rate
RMS/mean=1.7%
GAIN
0.25
RMS/mean=1.6%
48
efficiency
Uniformity of
each pixel
400pixel
RMS/mean=3.4%
Cross talk rate
GAIN
0.18
RMS/mean=2.9%
49
MPPCセラミックパッケージ
プラスチックパッケージについて、アライメントはこの
5mm、もしくは6mmについて取る。
• このT2K用に用いられるはずのセラミックパッケー
ジは、そのアライメントを外枠で取っている。
50
Type 1
Fiber housing
Ceramic package housing
Top View
Top View
3mm
8mm
8mm
Side View
10mm
Side View
10mm
1mm
6mm (pitch = 1mm)
6mm (pitch = 1mm)
51
Type 2
Fixture
Fiber housing
Ceramic package
housing
3
8
5
8
10
5.1
6 ( pitch 1mm )
1
6 ( pitch 1mm )
[ mm ]
52
セットアップ
fiber housing
MPPC housing
• WLSファイバーとファ
イバーハウジング部と
はオプティカルセメン
トで接着する。
• MPPCと密着させる
面は、紙やすりで研
磨し( #600~#3000 )、
ファイバー端面をハウ
ジングの面に合わせ
る。
53
Rough Draft - blueprint -
54
Future Plan
• プラスチックパッケージによるPDEの損失を測定する。
Measurement 1
Measurement 2
1mmφslit
PMT
Blue LED
MPPC
( 感受光領域 = 1mm2 )
全PDE の測定
Measurement 3
1mm fiber
PMT
Blue LED
MPPC
( 感受光領域 = 1mm2 )
ファイバー端面からの光の広
がりによる損失の測定
プラスチックパッケージによる損失の測定
• Capタイプの試作品を製作し、同様の試験を行う。
55