Transcript k B - GLD
Long Term Stability Test University of Tsukuba Yusuke TAKAHASHI 2009/08/20 for ILC meeting Noise Rate(0.5 p.e.) Type A Sample #1102 Type B ・25 ・30 ・40 ・50 ・60 Sample #1103 Noises are too more than usually. We should correct data. Cross-Talk Probability Type A Sample #1102 Pcrosstalk scalercoun ts(Vth 1.5 p.e.) scalercoun ts(Vth 0.5 p.e.) Type B ・25 ・30 ・40 ・50 ・60 Sample #1103 Cross-Talk Probability seems to depend on temperatures… Noise Rate Correction • Discriminator has dead time, so we should correct data. m n 1 m n = true value m = observed value τ= output pulse width (25ns) • Two pixels fired accidentally when there are a lot of noises. It is necessary to consider the effect. Accidental 2 p.e. : A n(1 exp[ nT ]) n = avg of noise rate CrossTalk 2 p.e. : n A n exp[ nT ] T = pulse width (3ns) Noise Rate(0.5 p.e.) Type A Sample #1102 Sample #1103 ・25 ・30 ・40 ・50 ・60 ● raw data □ corrected data Type B Noise Rate(1.5 p.e.) Type A Sample #1102 ・25 ・30 ・40 ・50 ・60 Sample #1103 ● raw data □ dead-time correction △ accidental 2p.e. correction Type B Cross-Talk Probability(Before) Type A Sample #1102 Pcrosstalk scalercoun ts(Vth 1.5 p.e.) scalercoun ts(Vth 0.5 p.e.) Type B ・25 ・30 ・40 ・50 ・60 Sample #1103 Cross-Talk Probability seems to depend on temperatures… Cross-Talk Probability(After) Type A Sample #1102 Pcrosstalk n(Vth 1.5 p.e.) A n(Vth 0.5 p.e.) Type B ・25 ・30 ・40 ・50 ・60 Sample #1103 Cross Talk Probability is independent to temperatures ! Long term stability (Current) Dummy data ○○ Temperature in Thermo-static Chamber ○ Regularly measurement Shutdown 7/7 6:00～ T ～ 85 ℃ , ⊿V ～ 3 V Sample #1102 Circuit Type A Acceleration constant = 45.4 Sample #1103 Circuit Type B • Leakage Current increases at time. Summary & Plan Summary • Capacitance and Cross-Talk Probability are independent to the temperature. • Leakage Current increases at time. Plan • Remeasurement data analysis. • Leakage Current data analysis. • Regularly measurement data analysis. Back Up Motivation • ILC では光検出器を長期に渡って使用する • 使用期間内で性能が安定しているか • 出力がどのように変化をするのか 原理（１） 反応論モデル： 拡散、酸化、吸着、転位、電解、腐食クラック成長な どのメカニズムで変化が進行し材料や部品を劣化させ、 ある限界を超えると故障に至る アレニウスモデル：温度による反応依存性 k ：反応速度 [1/time] Λ ：定数 [1/time] L ：温度Ｔ での寿命 [time] k B ：ボルツマン定数 [eV/K] E a ：活性化エネルギー[eV] T ：絶対温度 [K] 原理（２） 活性化エネルギーの測定 A ：定数 L ：温度 T での寿命 k B ：ボルツマン定数 [eV/K] E a ：活性化エネルギー[eV] T ：絶対温度 [K] 活性化エネルギーEaを精度良く測定できれば MPPCの寿命が推定できる 原理（３） アレニウスモデルを用いた温度加速 K ：温度加速定数 L 1 ：通常動作時の寿命 L 2 ：温度加速時の寿命 T 1 ：通常動作温度 [K] T 2 ：温度加速時温度 [K] k B ：ボルツマン定数 [eV/K] E a ：活性化エネルギー[eV] ※活性化エネルギーを0.585 eV 通常動作温度を25 ℃ と仮定 温度[℃] 温度加速定数 35 60 80 100 115 2 11 35 97 196 測定項目 25um 1600pix sample について 以下の項目の測定を３つの温度で行う。 • • • • • Gain Noise Rate Cross Talk Leak Current Relative PDE 測定は 1回 / Week で行う予定。 故障の定義はＧＬＤのＤＯＤをベースにして決定する。 （測定していないときは電圧をかけた状態で加熱し Leak Current を測定する） 予備実験 活性化エネルギーの測定において必要なこと • 温度に依存せずに安定した電圧をかけ ることのできるシステム構築 ⇒温度に依存しない回路の製作 • 測定を行う温度の決定 • 故障の定義 • 大量測定システムの構築 温度依存性 TypeB：読み出し回路を含まない試作品 TypeA：読み出し回路を含む従来の回路 25,30,40,50,60℃ で 以下の項目の温度依存性を測定する。 MPPC動作温度 0 ～ +40 ℃ MPPC保存温度 -20 ～ +60 ℃ （115℃：恒温槽の限界温度） • • • • Gain Noise Rate Cross Talk Leak Current この測定により次の項目のテストができる • 温度に依存せずに電圧をかけられるか • 恒温槽と MPPC が高温に耐えられるか • 高温領域での MPPC の温度依存性 Set Up（Gain） Gain 1kHz Width 55ns Delay Clock Gate Generator Generator CAMAC Gate PC AMP×63 Voltage source MPPC LED driver LED Analog In GPIB Digital Thermostatic chamber Multi Meter Voltage source • 現段階では1つずつしか測定できない RS232C Pulse shape Type A Type B MPPC Pulse shape average Peak が変形している。 ケーブルの長さを変えたりターミネートをしても変化しなかった ADC distribution Over Voltage 3[V] Gate 55ns 25℃ Sample #1102 Type A Type B Sample #1103 ADC分布はきれいにとれた。 Gain Vbias Quenching resistor ＋ ｐ - ｐ ｎ＋＋ 1 p.e. 2 p.e. 3 p.e. (p.e.:photoelectron) • 各ピークは主にGaussianに従う。 （1 p.e. 以上のピークはAfter Pulse の影響を受ける。 そのため右半分が完全なGaussianではない。 ただし、その寄与は十分小さいものと仮定する。） Ｃｕｔ dS Gain e A d = p1-p0 S = ADC Resolution (= 0.25pC/ADCcount) e = electric charge(= 1.6 x10-19 C) A = HAMAMATSU AMP Gain(= 63) x p 4 2 ( x p1) 2 ( x p 7) 2 p0 exp p6 exp p3 exp 2 2 2 2 p 2 2 p 5 2 p 8 • (P7-P4)-(P4 -P1) <0 : peak position correction • (P4-P1)-(P5+P2) >0 (P7-P4)-(P8+P5) >0 :Pk-Pk distance is enough Rejected ADC distribution Correction of 3-Gaussian fit Before After Gain Vs Vbias (Before) Type A Type B Sample #1102 ・25 ・30 ・40 ・50 ・60 ・25 ・30 ・40 ・50 ・60 Sample #1103 ・25 ・30 ・40 ・50 ・60 ・25 ・30 ・40 ・50 ・60 Gain Vs Vbias (After) C Gain (Vbias V 0) e Type A Type B Sample #1102 ・25 ・30 ・40 ・50 ・60 ・25 ・30 ・40 ・50 ・60 Sample #1103 ・25 ・30 ・40 ・50 ・60 ・25 ・30 ・40 ・50 ・60 • 温度を横軸に、V0 , Capacitance をそれぞれ縦軸にとり温度依存性を見る Ｖ０ 温度依存性 (Before) α:Temperature coefficient [V/℃] β:V0 [V] @ 0 ℃ #1102 Type A α:0.051 ± 0.001 V/℃ β:72.84 ± 0.02 V V 0(T ) T #1102 Type B α:0.051 ± 0.001 V/℃ β:72.83 ± 0.02 V ・#1102 Type A ・#1102 Type B ・#1103 Type A ・#1103 Type B #1103 Type A α:0.053 ± 0.001 V/℃ β:72.82 ± 0.02 V #1103 Type B α:0.051 ± 0.001 V/℃ β:72.88 ± 0.02 V Ｖ０ 温度依存性 (After) α:温度係数 [V/℃] β:0℃のときのV0 [V] #1102 Type A α:0.050 ± 0.001 V/℃ β:72.82 ± 0.02 V V 0(T ) T #1102 Type B α:0.051 ± 0.001 V/℃ β:72.79 ± 0.03 V ・#1102 Type A ・#1102 Type B ・#1103 Type A ・#1103 Type B #1103 Type A α:0.053 ± 0.001 V/℃ β:72.80 ± 0.02 V #1103 Type B α:0.051 ± 0.001 V/℃ β:72.86 ± 0.02 V Capacitance 温度依存性（Before） Capacitance には 温度依存性がないと仮定 C (T ) C ・#1102 Type A ・#1102 Type B ・#1103 Type A ・#1103 Type B #1102 Type A Capacitance 1.584 ± 0.004 ×10-2pF #1102 Type B Capacitance 1.611 ± 0.004 ×10-2pF #1103 Type A Capacitance 1.564 ± 0.004 ×10-2pF #1103 Type B Capacitance 1.610 ± 0.004 ×10-2pF Capacitance 温度依存性（After） Capacitance には 温度依存性がないと仮定 C (T ) C ・#1102 Type A ・#1102 Type B ・#1103 Type A ・#1103 Type B Capacitanceに温度依存性は無い。 #1102 Type A Capacitance 1.575 ± 0.004 ×10-2pF #1102 Type B Capacitance 1.603 ± 0.004 ×10-2pF #1103 Type A Capacitance 1.555 ± 0.004 ×10-2pF #1103 Type B Capacitance 1.600 ± 0.004 ×10-2pF Set Up（NoiseRate） Noise 10MHz CAMAC Discriminator 20ns Coincidence Clock Gate Generator Generator 25ns Scaler Width 0.5s 1Hz PC ECL to MPPC AMP×63×10 NIM 25ns Discriminator hoge Digital GPIB Multi Meter Thermostatic chamber(25℃) Voltage source RS232C Vth Threshold Curve Over Voltage 3[V] Width 25 ns Sample #1102 Type A ScalerCount Vth Threshold Curve V p1 ( p0 p3) p3 erfc th 2 2 p2 erfcx Threshold Curve (derivation) 2 x exp t 2 dt Vth [mV] Vth [mV] Noise Rate(0.5 p.e.) Type A Sample #1102 Type B ・25 ・30 ・40 ・50 ・60 Sample #1103 温度が上がるにつれてNoise Rate が大きくなっている。 #1103 Type A ・25 ・30 ・40 ・50 ・60 原因不明 再測定が必要 Noise Rate(1.5 p.e.) Type A Sample #1102 Sample #1103 ・25 ・30 ・40 ・50 ・60 Type B Cross-Talk Probability Type A Sample #1102 Pcrosstalk scalercoun ts(Vth 1.5 p.e.) scalercoun ts(Vth 0.5 p.e.) Type B ・25 ・30 ・40 ・50 ・60 Sample #1103 温度が上がるにつれてCross Talk が起きやすくなっている。 Noise Rate Correction • Discriminator を非マヒ型のモジュールとして 扱い計数率を補正した。 • 二つのシグナルが同時に出る確率はマヒ型 モジュールとして扱い、補正した。 Paralysabl e : m n exp[ n ] n = 真の計数率 m = 観測された計数率 τ= 装置の不感時間 n Nonparalys able : m 1 n Accidental 2 p.e. : A n(1 exp[ nT ]) CrossTalk 2 p.e. : n A n exp[ nT ] A = 平均 n Hz のノイズがある時、偶然1.5p.e.を超える個数 T = １p.e. の時間幅 Noise Rate(0.5 p.e.) Type A Sample #1102 Sample #1103 ・25 ・30 ・40 ・50 ・60 Type B ● 補正前 □ 補正後 Noise Rate(1.5 p.e.) Type A Sample #1102 ・25 ・30 ・40 ・50 ・60 Sample #1103 ● 補正前 □ スケーラーデッドタイム補正後 △ アクシデンタル2p.e.補正後 Type B Cross-Talk Probability Type A Sample #1102 Pcrosstalk scalercoun ts(Vth 1.5 p.e.) scalercoun ts(Vth 0.5 p.e.) Type B ・25 ・30 ・40 ・50 ・60 Sample #1103 温度が上がるにつれてCross Talk が起きやすくなっている。 Cross-Talk Probability Type A Sample #1102 Pcrosstalk n(Vth 1.5 p.e.) A n(Vth 0.5 p.e.) ・25 ・30 ・40 ・50 ・60 Sample #1103 Cross Talk Probability は温度に依存しない。 Type B Leak Current Type A Sample #1102 Type B ・25 ・30 ・40 ・50 ・60 Sample #1103 温度が上がるにつれてLeak Current が大きくなっている。 Summary & Plan Summary • • • • V0 は温度に対して線形に変化する。 Capacitance とCross Talk に温度依存性は無い。 Leakage Current に温度依存性がある。 Leakage Currentが温度加速によって増加している。 Plan • 25～60℃の再測定データの解析を行う。 • Leak Currentの解析・理解を進める。 • 定期測定のデータを解析する。 回路図 Temperature monitor 7/7 6:00～ Sample #1102 Circuit Type A Sample #1103 Circuit Type B T = 85 ℃ ⊿V = 3 V