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1 MEG II実験液体キセノン検出器のための 大型MPPCの性能試験1 家城 佳, 他MEG IIコラボレーション 2 MEG実験: μ+ e+γ search SMを超える物理の探索 • BSMの予言: BR(μeγ) =10-12 ~10-14 γ • 現在の上限値: 5.7×10-13 (90% CL) (MEG実験, 2009~2011年のデータ) μ+ 信号とBG 信号: μeγ Back to back, Ee=Eγ=52.8MeV γ e+ 𝜇 μ+ 𝑒 eγの位置、エネルギー、時間で区別 e+ 新物理の寄与 (ex. SUSY) BG: - Radiative Muon Decay (RMD) μeννγ - Accidental BG e (μeνν) +γ (e+対消滅 or RMD) MEGMEG II にアップグレードし、5×10-14の感度を目指す。 3 MEG II ～ Upgrade of MEG ～ γ: 液体Xe検出器 本発表 e+: Drift chamber + Timing counter 検出器の 性能向上 ビーム強度＞2倍 γ 位置、エネルギー、 時間の分解能2倍 検出効率2倍 μ+ BGの更なる削減 2016年より物理ラン開始予定! e+ RMD BG検出器 4 液体Xe検出器のアップグレード 変更①: 内壁のPMTをMPPCに交換 PMTサイズによって 光子の検出効率が制限 光子検出効率の 一様性を改善 2inch PMT 216個 12x12mm2 MPPC~4000個 変更②: PMTのレイアウトを変更 γ Energy leak減少 均一なレスポンス 1m 世界最大の液体Xe検出器(900𝑙) 846個のPMT wider 5 期待される分解能の向上 MPPC+PMT PMT イメージング能力が格段に向上！ γ エネルギー分布 (depth<2cm) MEG II MEG I エネルギー分解能: 2.41.1% (depth<2cm) 1.71.0% (depth>2cm) γ 位置分解能 MEG II MEG I log scale 位置分解能: 52.6mm (depth<2cm) 52.2mm (depth>2cm) 更に、MPPCは物質量が小さいので、γ検出効率も増加。 6369% 6 液体Xe用 MPPCの開発 Hamamatsu S10943-3186(X) 要求される性能 • Xeの真空紫外光(VUV)に有感 • 大型(12×12 mm2) • 速い応答(fall time<50ns) - 50μm pitch pixel - 4つの独立したchip - metal quench resister (抵抗の温度変化が小さい) これまでの開発 2.5mm • 保護膜を除去、VUV光を通すクォーツ窓で保護。反射防止膜を変更。 VUV光に対し>15%のPDEを達成 • 大型化capacitanceの増大時定数が増加してしまう 4分割したチップを基板上で直列接続 Fall time<50nsを達成 液体Xe検出器に必要な性能を持つMPPCが完成！ 7 次のステップ • Prototype検出器による試験 約600個のMPPCが納入された。 実装前に室温(20℃)・低温(液体Xe中)で動作試験する。 室温試験 - 全数動作試験と基礎特性の確認 - 3mm角crosstalk抑制サンプルの 性能確認 Prototype検出器 (~100𝑙 Xe) 本講演 低温試験 - 液体Xe中での動作試験(少数サンプル) 小川 - VUV光でPDE, 波形(fall time)の測定 • 実機の開発(今後) 約4000個のMPPCを大量試験 手法の確立 MPPC×576個 (1面) PMT×180個 (5面) 8 室温における大量試験 試験の目的: 新しいMPPCの全数動作試験 実機用MPPC大量測定の手法確立 新しいMPPC ~6mm TypeA TypeB TypeC 本番の検出器では更に crosstalk抑制の仕様が 追加される予定(開発中)。 Chip間のギャップとchipの大きさが 若干異なる３種類を用意。 600個×4chips = 計2400 chips の各々について ① Gain, ② breakdown voltage (Vbd), ③ noise rate, ④ crosstalk + afterpulse 確率 (CTAP) を測定。基礎特性に問題が無いことを確認した。 9 大量試験セットアップ 読み出し基盤(PCB) 恒温槽 リレースイッチ LED 16MPPC (=64 chips) 3段のリレースイッチによって 読み出しchipを切り替え可能。 8 読み出しch.×23 リレー設定 = 64chip • T = 20℃ • LED trigger • Vhama - 1.2V ~ Vhama+ 0.6Vの １０点の電圧で測定 Vhama: 浜松推奨電圧 (Vover~2.5V@20℃) 約２週間で全2400chipを測定。 10 測定データの例と、問題点 全chipについて、測定不能なchipが無いことを確認した。 解析ではgainなどの特性をpulse height分布やcharge分布から算出。 1p.e. 波形の例 Pulse height分布の例 1p.e. 2p.e. ~5mV @V=Vhama ・・・ ~200ns gain ≡ 1p.e.と2p.e.の 波高の差と定義 問題点 本測定で用いたPCBは、リレースイッチのon/offに依存して gainが変化してしまうことが測定後に発覚した。(V=Vhamaのとき0~10%程度) 本発表の測定結果には、その影響は補正されていない。 11 Breakdown voltage (Vbd) Vbdは gain vs. Vbias のグラフを内挿することで算出した。 Vhama と Vbd Gain vs. Vbias の例 Vhama 波の構造は、ウエハーの切り出し方に由来。 Vbd: Gain=0まで外挿 したときのVの値 Vbd 一部のchipではノイズが大きく 測定のエラーが大きい。 Vbdの値はT=20℃のとき約64V。 全2400個中19個のchipではdark noiseが多く1p.e.ピークの分別が できなかった。しかし、液体Xeの低温(165K)ではdark noise rateが 5桁小さくなるので問題無いと考えられる。 12 Noise rate Noise rateの測定にはLED offの波形データを用いた。 2.5mV以上の信号を、dark noiseとしてカウントした。 Noise rate @ Vover=3.0V (全chip) ※浜松におけるアセンブリの手違いにより、 noiseの多いchipが混入している。 (実機では無くなる) Noise rateは室温で1~3MHz程度。一部4~10MHzのchipがいるが、 液体Xe中では5桁減るので問題は無いと考えられる。 13 Crosstalk + Afterpulse確率 (CTAP) 測定される1p.e.信号数 = 期待1p.e.数(Poisson統計)からCTAP分減ったもの。 CTAP = 1 – (観測された1p.e.の数) / (Poissonで予想される1p.e.の数) Charge分布の例 CTAP vs. Vover (全データ点) CTAP 1p.e. 0p.e. 2p.e. 3p.e. Vover=3.0VでCTAP~50%。Voverが大きいとCTAPが非常に大きくなり、 MPPC信号の測定が難しくなる。 14 Crosstalk抑制サンプルの性能確認 3×3mm2のcrosstalk抑制サンプル2つを入手し、crosstalkの測定を行った。 (pixel size: 50μm) Crosstalk抑制機構 photon by H. Nagashima Crosstalk確率 vs. Vover crosstalk pixel間の溝でcrosstalk抑制 通常サンプル(3mm角, 50μm pixel) Crosstalk suppressed A Crosstalk suppressed B Crosstalk確率は通常サンプルと比べて大幅に減少している。 高いover voltageでの運用が可能。 液体Xe検出器には12mmのMPPCにcrosstalk抑制の仕様が追加される予定。 15 まとめ • 大型でVUV光に有感なMPPCが開発し、prototype液体Xe検 出器用の約600個のMPPCの動作試験を行った。 • 室温での全数試験の結果、使用不能なchipは無かった。 実機用4000個のMPPCを大量試験する手法を確立した。 • 一部のchipはdark noise rateが非常に高かったが、液体Xe 中ではrateが5桁落ちるので問題は無いと考えられる。 • Crosstalk+Afterpulse確率はVover=3.0Vで約50%であった。 これはMEG IIで問題となる大きさではないが、crosstalk抑制 サンプルでは更に約15%に削減されている。 16 Backup slides 17 全データ histogram 1p.e. charge @ Vover=3.0V 1p.e. pulse height @ Vover=3.0V Breakdown voltage Noise rate @ Vover=3.0V CTAP @ Vover=3.0V 18 全データ (vs. chip ID) 1p.e. charge @ Vover=3.0V Noise rate @ Vover=3.0V 1p.e. pulse height @ Vover=3.0V CTAP @ Vover=3.0V 19 MPPCごとのchip間Vbdばらつき ChipごとのVbd – そのMPPCの平均Vbd ※Relayの問題がなければ ばらつきはもっと小さいはず。