Transcript Development of Multi-Pixel Photon Counters and readout electronics

新型光検出器MPPCと
その読み出しエレクトロニクスの開発
田口 誠
高エネルギー研究室
内容
T2K実験
Multi-Pixel Photon Counters (MPPC)
基礎特性
レーザーテスト
読み出しエレクトロニクス
まとめ
T2K 実験
目的
• ν e 出現事象の探索
• ν μ 消失事象の精密測定
ν
J-PARC
SuperKamiokande
T2K前置検出器の光検出器
T2K
前置検出器
0.2T Magnet
magnet
target •シンチレータ＋波長変換
ファイバーによる読み出し
• 総チャンネル数 ~60,000
コンパクト、低価格
• 0.2Tの磁場
 磁場への耐性
• 粒子検出効率
光量が大きいこと
T2K実験に向け新型光検出器
MPPCの開発を行った
Multi-Pixel Photon Counter(MPPC)
• 多数のガイガーモードAPDピクセルからなる
半導体フォトンカウンティング素子
• 2年前から浜松ホトニクス社と共同で開発
サイズ
PMT
MPPC
~10cm
5mm
磁場での使用 ×
○
ゲイン
~106
~107
光子検出効率 ~15%
30~45%
優れた特性
1ピクセルの動作原理
クエンチング
抵抗
電流
リニア ガイガー
モード モード
ガイガー放電
クエンチング
Vbias
フォトン
ガイガーモード
APD
~100fF
~1V
1ピクセルが
出すチャージ
= C x(Vbias-Vbd)
Q
=
~106
xe
Vbd ： 充電
ブレイクダウン
電圧
Vbias：
印加電圧
MPPCの動作原理
•各ピクセルではフォトンが入ったか入らなかった
かだけがわかる
•MPPCの出力は各ピクセルからの出力の和
入射フォトンの数に比例したシグナル
1フォトン
2フォトン
3フォトン
基礎特性の評価
動機
MPPCの基礎特性がT2Kの要求を満たすか？
 テストサンプル・・最新(2006年10月)の 100, 400 ピクセル
 テスト項目 ・・・ 生シグナル
ゲイン
光子検出効率
今回詳しく紹介する
ノイズレート
（20℃のデータ)
クロストークレート
リニアリティ
リカバリータイム
LED
MPPC
生シグナル
出力
オシロスコープ、ADC
フォトン
0フォトン
0フォトン
1フォトン
2フォトン
1フォトン
60ns
2フォトン.
優れたフォトンカウンティング能力
ゲイン
0フォトン
3000
１フォトン
Q
ゲイン= Q/e 1000
印加電圧(V)
•1.0x106 ~ 3.0x106
•印加電圧に対しリニアQ = C (Vbias-Vbd)
光子検出効率
セットアップ
3
PMT
LED
2
ファイバー
MPPC 1mmφスリット
MPPCの出力
光子検出効率 =
(PMTとの相対値) PMTの出力
印加電圧(V)
緑色の光に対しPMTの2~3倍の光子検出効率
ノイズレート
• MPPCは光を入れなくても熱によるノイズを出す
• 光を入れない状態で、0.5フォトン,1.5フォトンの閾値を設定し、
それを超えるパルスの数を数える
(kHz)
1フォトン
0.5フォトン
2フォトン
1.5フォトン
500
0.5フォトン閾値
•0.5フォトン閾値ノイズレート
<500kHz
•1.5フォトン閾値ノイズレート
<100kHz
100 1.5フォトン閾値
1フォトンノイズが典型的
印加電圧(V)
レーザーテスト
動機
ピクセル内、ピクセルごとの応答にばらつきが生じていないか？
製品開発において重要な情報
テスト項目:ピクセル内、ごとのゲイン、光子検出効率の一様性
セットアップ
2um
緑色
レーザー
RMS/mean
=2.0%
MPPC
10umピッチ
移動ステージ
よくそろっている
MPPC読み出しエレクトロニクス
動機
T2K実験では~60,000個のMPPCを用いる
コンパクト、マルチチャンネルの読み出しエレキが必要
パラレル
シリアル
ch1
14mm
ch2
Trip-t
ch1 ch2
Trip-tチップ:
フェルミ研で開発
ch32
t
ch32
チャンネル数 321
Trip-tを用いたMPPC読み出し
MPPC
テストボード(4ch)
LED
フォトン
ピーク
X4
4chのMPPCの同時読み出しができた
予定
32chのボードを製作し、MPPCの大量サンプルテストを行う
まとめ
•100ピクセル
•T2K実験に向けMPPCの開発を行った
•20℃
ゲイン
0.5フォトン閾値
ノイズ
1.5フォトン閾値 光子
ノイズ
検出効率
性能
1.0~3.0
X106
100~500kHz
10~100kHz
30~45%
要求
~106
<1000kHz
<50kHz
>~15%
•T2Kの要求を満たすサンプルができている
•MPPCの多チャンネル読み出しエレクトロニクスの
開発に成功
MPPCはT2Kで使用可能
backup
クロストーク
• ガイガー放電中に発生したフォトンが隣のピクセルのガイガー放電
を引き起こすこと
クロストーク = 1レート
fobserved
festimated
festimated : ペデスタルの割合からポワッ
ソン統計を仮定して求めた1p.e.の割
合
fobserved : 測定された1p.e.の割合
15度
20度
25度
クロストークレート
100ピクセル
Vbias
400ピクセル
Vbias
15度
20度
25度
ゲイン
100ピクセル
Vbias
400ピクセル
Vbias
15度
20度
25度
(kHz)
ノイズレート
100ピクセル
0.5p.e. th.
(kHz)
400ピクセル
0.5p.e. th.
1.5p.e. th.
1.5p.e. th.
Vbias
Vbias
15度
20度
25度
光子検出効率
100ピクセル
Vbias
400ピクセル
Vbias
リニアリティ
セットアップ
•MPPCの入射光量をPMT
でモニター
•予想曲線
紙
LED
MPPC
Nfired  N0  (1  exp(
x(1  c)
N0
))
Nfired : ガイガー放電を起こしたピ
クセル数
PMT
N0 : ピクセル数
c : クロストークレート
x : 入射p.e.数
予想からのずれ
Nfired
+10%
100ピクセル
データ
予想
X
-10%
X
Nfired
+20%
400ピクセル
データ
予想
-10%
X
X
リカバリータイム:クエンチングにかかる時間
•100ピクセル
リカバリータイム < 100ns
•400ピクセル
1ピクセル内の検出効率の分布
0.5p.e.以上のイベント数
検出効率=
全イベント数
RMS/mean=2.0%
1ピクセル内のクロストーク
レートの分布
クロストークレート =
1.5p.e以上のイベント数
0.5p.e.以上のイベント数.
ピクセルのエッジの
方が大きい
ピクセルごとのクロストークレートの分布
端のピクセルの方
が低い
T2Kからの要求
項目
要求
どこから？
面積
1.2x1.2mm2
1mmΦのファイバー
ピクセル数
100/400
100p.e.までのダイナミックレンジ
ゲイン
~106
エレクトロニクス
ノイズレート
<1MHz
アクシデンタルヒット
光子検出効率
>15%
光量
時間分解能.
2-3ns
Trip-t読み出し原理
MPPC 入力 (ch1)
プレアンプintegrate
プレアンプ出力
マルチプレクサ出力
0
1
Trip-t出力
ch1
2
33
MPPC読み出しセットアップ
-5V
+
Trip-t
コントロール
シグナル
MPPC
4m フラットケーブル
オペアンプ
+5V
LED
トリガー
Digital wave
generator
FADC
トリガー
AD 変換
実機タイプエレクトロニクス
16 MPPCs
16 MPPCs
•64MPPC/per
board
Trip-t
Trip-t
FPGA
Trip-t
ADC
ADC Trip-t
•FPGAによるコント
ロール
•温度モニター
•バイアス電圧
微調整用DAC
16MPPCs
16MPPCs