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
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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

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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
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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
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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
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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
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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)
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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
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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
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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
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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 
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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
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Back Up
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120Gy 照射Sample
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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)
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5
240Gy 照射サンプル 測定結
果
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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%).

詳しくはこちら - 日本IR協議会