GLD カロリメータの読み出しに 用いられる光検出器MPPCの性能評価 2007年9月22日 日本物理学会@北海道大 筑波大学 山崎秀樹 金信弘 須藤裕司 生野利典 高橋優介 他GLDカロリメータグループ 2016/7/9 γ線照射 to MPPC GLD CalorimeterではMPPCは放射線環 境下での使用が見込まれ、 そのために東工大でγ線を照射し,MPPC の放射線耐性の評価をした 2016/7/9 放射線照射による影響 Total dose 効果 照射量に比例して漏れ電流増加 - Hole trap(SiO2層に正孔が捕獲される) →X線、電子、γ線 - Surface damage (Si-SiO2境界面に負電荷が蓄積) 高波高ノイズ 効果 ある照射量から大きく漏れ電流変化 局所的に高電圧状態→高波高ノイズ発生 2016/7/9 γ線照射実験@東工大 照射サンプルILC-11-025M ( 1600Pixel )sample#9.#12,#14 累積放射線量 1krad/h 12時間照射→12krad(120Gy) 1krad/h 6時間照射→6krad(60Gy) 1krad/h 3時間照射→3krad(30Gy) 1Krad=1000rad=10Gy (gray)=6.25*1010 MeV / g 60Co Source 60 Cm MPPC 放射線源: ~15TBq 60Co Source γ-ray energy : 1.173 MeV, 1.332 MeV 2016/7/9 測定項目 Gain,NoiseRate測定 照射前のものと比較し、放射線による影響をみる Leakage Current 測定 時間変化を測定し、回復現象をみる I-V Curveの測定 Total dose効果のみがみられる時に測定する 2016/7/9 Leakage Current (照射中) 60Gy(6Krad) 照射サンプル(#12) 30Gy (3krad)照射サンプル(#14) Leakage Current時間変化 (30gy 照射中) Leakage Current時間変化 (60gy 照射中) 0.15 0.1 0.05 0 0 1 2 Time(hour) 3 4 Leakage Current(μA) Leakage Current(μA) 0.15 0.1 0.05 0 0 2 4 6 8 Time(hour) 120Gy(12krad) 照射サンプル(#9) MPPCに光をあてていない状態で 回路内に流れる電流量を マルチメータで測定する 2016/7/9 Leakage Current時間変化 (120gy 照射中) 12 Leakage Current(μA) Leak Current 測定回路 7 2 -3 0 3 6 9 12 15 Time(hour) 120Gyをあてたサンプルでは 高波高ノイズが発生している 2016/7/9 6 MPPC Pulse Shape 120Gy照射後サンプル バイアス電圧印加直後 (セルフトリガーでの波形) Range 20ns Range 50mV 高波高ノイズと思われる信号が出ており、波高は1 p.e. (約20mV )よりも高い(>5p.e. height) 2016/7/9 Leakage Current (照射後) 120GyをあてたSampleにバイアス 電圧をかけ続けると、回復現象が みられる 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 10 20 30 Time(hour) 1000 Current(-uA) Leakage Current(μA) Leakage Current時間変化 (120gy 照射後) 40 50 IVカーブ(照射後) semi-log 100 10 1 1 2 3 4 5 6 Before After 30 gy After 60 gy After 120gy Before 0.1 0.01 0.001 ΔV(-V) 放射量によってLeakage Currentが増加 120Gyをあてたサンプルでは高波高ノイズによる 影響が大きく出ている 2016/7/9 Gain 1 p.e. peak Pedestal d peak 2 p.e. peak 120Gy 60Gy 30Gy 120GyをあてたSampleでは この領域のGainは求められな い↓ADC分布( Vbias=78.6) どの放射線量でもGainの値は105以 上あり、GLD Calorimeterの要求(105 ~)を満たす 2016/7/9 Noise Rate Noise Rate: 熱電子によって起こる 雪崩によるsignal 照射量によってノイズレートが増加する GLD Calorimeterの要求を満たすΔVの領域は~3.5V (~1MHz) 120Gyではノイズが10MHz以上ある (0.5p.e.が見つけら 2016/7/9 れない) Cross talk Probability Cross talk : 電子雪崩から生成された 光子が隣のpixelで電子 雪崩を起こす 2 photo-electron signalを Crosstalk率も照射量に Cross-talkによるものとする よって増加する Rate( 1.5 p.e.) PCrosstalk 2016/7/9 Rate( 0.5 p.e.) まとめと今後の予定 まとめ Total dose 効果のみが見られたSample(30Gy,60Gy) でNoise Rateは照射前より増加し、使えるΔVの領域 は狭まる 120Gyをあてたサンプルでは回復をさせて も Photon Countingが できない領域がある 今後の予定 Proton、中性子線による照射実験(1600pixel MPPC) ハドロン粒子照射でのBulk damageもみる GLD Calorimeter での各放射線量の見積もり 2016/7/9 Back Up 2016/7/9 120Gy 照射Sample 2016/7/9 2016/7/9 温度モニター( γ線 照射中@照射室) 30 Gy (Sample#14) (2007年 9月14日 10時53分開始) 60 Gy (Sample#12) (2007年 9月14日 10時53分開始) 120 Gy (Sample#9) (2007年 9月14日 19時25分開始) 2016/7/9 Leakage Currnet (サンプルの個体差) IVカーブ(照射前サンプル比較) 0.03 0.025 Current(-uA) 0.02 0.015 Sample9 Sample12 0.01 Sample14 0.005 0 0 1 2 3 4 -0.005 ΔV(-V) 2016/7/9 5 240Gy 照射サンプル 測定結 果 2016/7/9 Gain(ADC Distribution) S d Gain A e S :ADC 分解能 (0.25pc/Count) d: 1 p.e. mean – Pedstal mean A : Amp gain = 63 e : electron charge = 1.6 x 10-19 C 測定一回目 バイアスをかけた直後 全event数 10000 測定二回目 バイアスをかけた直後 全event数 10000 Photon Countingが出来ない 2016/7/9 測定二回目 バイアスをかけてから 14時間 全event数 100000 Noise Rate(Threshould Curve) Noise Rate:熱電子によって起こる 雪崩によるsignal Threshould Curve 放射線をあててない MPPCの Threshold Curve(現行システム) バイアス電圧をかけた直後からのプロット 0.5 p.e. Threshold 1.5 p.e. Threshold オーダーは10MHzまで 達している 放射線をあててないMPPCでは 数十KHz 2016/7/9 Noise Rate(Threshould Curve その2) この波高領域が 効いている 一度バイアス電圧を切ってから再度測定 Dark Noiseの数が多すぎて CAMAC Discriのgateに入り きっていないのではと思わ れる 2016/7/9 漏れ電流 (Leakage Current) 半導体検出器に逆電圧印加時、熱電子によって 定常的な電流が発生 Time Vs Leakage Current 9.00 MPPCに光をあてていない状態で 回路内に流れる電流量を マルチメータで測定する Leakage Current(μA) 8.00 7.00 6.00 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 0 5 10 15 20 25 30 Time(hour) 35 40 今回の測定では漏れ電流のピークは8μAで 東工大 松原さんの結果では10μA まで達し ていることから、アニーリングは進んでし まっていることが分かる2016/7/9 45 50 55 ホールが捕獲されることで禁制帯の中に新しいエ ネルギー 東工大 松原さんのトラぺより抜粋 2016/7/9 2016/7/9 2016/7/9 SIPM損傷試験:ADC distribution @東工大 照射前 (累積放射線量22.2krad) 10krad/h*10h照射後は photon counting出来ていな い (累積放射線量122.2krad) 2016/7/9 陽子照射結果 防衛大 松村さんのトラペより抜粋 ADC distributions @ operating voltage Sample #21 (16 Gy/h) Sample #20 (130 Gy/h) 0 Gy 0 Gy noise rate 270 kHz noise rate 270 kHz 2.8 Gy 21 Gy 6.9 MHz 5.5 Gy >10 MHz 8.0 Gy >10 MHz >10 MHz 42 Gy >10 MHz gate width : 55 ns Noise-rate measurements were limited due to scaler performance • Photon-counting capability is lost due to baseline shifts and noise pile-up after 21 Gy irradiation. Gain curve Gain (106) Sample #21 16 Gy/h operating voltage Vop = 69.58V For higher bias voltages, the gain measurement was difficult due to noise pile-up and baseline shift. 0 Gy 2.8 Gy 5.5 Gy 8.0 Gy bias voltage (-V) (27.6℃) (27.4℃) (27.2℃) (27.0℃) No significant gain drop is found up to 8.0 Gy irradiation at the operating voltage (less than 5%).
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