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T2K実験前置検出器のための
光検出器MPPC/SiPMの性能評価
田口誠、西川公一郎、中家剛
横山将志、信原岳（京大理）
KEK測定器開発室
内容





MPPC/SiPMについて
基礎特性評価(PDE,リニアリティ)
ビームテスト@KEK
レーザーテスト
まとめ
MPPC (Multi Pixel Photon Counter)
100~1000 APD ピクセル in 1mm2

それぞれのピクセルはガイガーモード
で動作する
(入射フォトン数に依存しない)


1mm
1mm

出力信号は各ピクセルからの出力の
アナログ和
SiPMはロシア製のものの名称
1p.e
1p.e
0p.e
MPPCのadc分布
MPPCのadc分布
0p.e
T2K前置検出器で使用予定
測定に用いたMPPCのタイプ
タイプ
HPK21
ピクセルバイアス
数
電圧
100
~70V
測定項目
ゲイン、ノイズレート、クロ
ストーク率、PDE、リニア
リティ、ビームテスト、
レーザーテスト
HPK32
400
（最新のサンプル）
~69V
ゲイン、ノイズレート、クロ
ストーク率、PDE、リニア
リティ
HPK53
100
（最新のサンプル）
~69V
ゲイン、ノイズレート、クロ
ストーク率、PDE、リニア
リティ
•ゲイン、ノイズレート、クロストーク率については前回の学会で報告済み
基礎特性評価(PDE)

PDE(photon detection efficiency)=QE×εpixel×εgeiger
(QE:量子効率, εpixel：受光面の割合,εgeiger:ガイガー放電を起こす確率)
PMTとの相対的なPDE
セットアップ
•HPK32はPMTの2倍のPDEを持ち、
2
リファレンス用PMT
2
青色LED
T2Kの要請(PDE>15%)を満足する
1
波長変換ファイバー
MPPC
1mm径スリット
HPK32(400ピクセル)
1
550
68.6 68.8 69.0
550
670 760
バイアス
69.3 電圧(V)
900 ノイズレート
（kHz)
基礎特性評価(リニアリティ)
HPK32(400ピクセル)について
ガイガー放電
を起こしたピク
セルの数
(予想値－データ)/
予想値
HPK32のリニアリティ曲線は予想曲線
と一致し、T2Kの要請(ダイナミックレン
200
+5%
ジ~200)を満足する
100
-5%
ピクセル数、クロストーク率
から計算される予想曲線
100
入射p.e数
300
100
入射p.e数
300
ビームテスト@KEK
動機
T2K 前置検出器と同じ読み出し条件で、
HPK21(100ピクセル)
MPPCによってT2Kの要請(MIPに対して>5p.e)を満たす光量が得られるか
MPPC
ビーム
13.3p.e
リファレンス用
64ch MAPMT
π
HPK21(古いサンプル)
MIPに対して、測定したPDEから予想される通
p
PDEはPMTと同じくらい
りの光量を得ることができた
0.8GeV/c
PMT
18.2p.e
1mmΦ波長変換
ファイバー
シンチレータ1.3x2.5x50 cm3
(K2K実験のScibar検出器
で使用していたもの）
レーザーテスト
100μm
•レーザーをピクセルごとに
入射し、MPPCのピクセル
ごとのふるまいを調べた
レー
ザー源
顕
微
鏡
λ=825nm
パルス幅
50ps
測定項目
HPK21(100ピクセル)について
-ピクセル内での検出効率の
分布
-ピクセルごとのゲイン、検出
効率のばらつき
MPPC
移動ステージ
1μm ピッチ (x , y)
レーザースポットサイズ
≒10μm
ピクセル内での検出効率分布
受光面
70x70μm
•１ピクセル内でレーザーを２次元スキャン
し、各ポイントごとの検出効率を調べた
受光面の全領域で検出効率はフラット
100μm
10μm ピッチ
レーザー
Efficiency
計 100 ポイントスキャン
1p.e.
y
0p.e.
x
100μm
100μm
0.5p.e.
検出効率=
全イベント数における
０．５p.e.以上の割合
ピクセルごとのゲイン、検出効率のばらつき
y
•ピクセルごとの応答は
よくそろっている
RMS/mean=3.6%
計100ピクセル
スキャン
RMS/mean=2.5%
相対検出
効率
相対ゲイン
y
x
x
y
x
まとめ



PDE、リニアリティともにT2Kの要請を満たした
実機と同じ環境でよってMIPに対しT2Kの要請
を満たす光量を得た
ピクセル毎の応答はよくそろっている
T2Kの要請を満たすサンプルが作れる段階になってい
ることを示した
今後の
予定



400ピクセルのサンプルについてピクセル毎のふるまい
大量生産したときの個体差
読み出し回路、ファイバーとの位置合わせの方法
supplement
T2K実験
•νμντ振動パラメーターの精密測定
•νμνe振動モードの発見
前置検出器
SK
オフアクシス
検出器
ν
J-PARC
オンアクシス
検出器
T2K実験前置検出器
オフアクシス
検出器
•前置検出器のほとんどの部分でシンチレー
ター＋波長変換ファイバー読み出しを用いる
大量の波長変換ファイバーを狭いスペース
で読み出す光検出器が必要
•オフアクシス検出器の全体が0.2Tの磁場中
に置かれる
磁場中でも安定に動作することが必要
電磁石
オンアクシス
検出器
これらの要請を満たす
光検出器としてMPPC/SiPM
の使用が決まっている
ノイズレート測定
• MPPCは光を当てていない状態でも、熱によるピクセルの
放電が起こっている (1p.eパルスが典型的）
• 測定は光を当てていない状態で、信号に対して
0.5p.e, 1.5p.e でスレッショルドをかけ、そのカウントレートをとった
イベント数
104
イ
1.5p.e
# event
0.5p.e
3
10
ベ
ン
ト2
10
数
10
0p.e
1p.e
2p.e
ADC カウント
■ 0.5p.e スレッショルド
ノイズレート測定
▲ 1.5p.e スレッショルド
HPK32(400ピクセル)
HPK53(100ピクセル)
1MHz
100kHz
15℃
20℃
15℃
20℃
25℃
68.4
バイアス電圧(V)
25℃
69.6
68.4
バイアス電圧(V)
69.4
ゲイン測定
2p.e
MPPCゲイン=1ピクセル
が放電した時に放出す
る電荷量
1p.e
3p.e
LEDの光を当てた
ときのADC分布
0p.e
0p.eと1p.eのadc カウ
ントの差からゲインを
計算
adc カウント
ゲイン測定
HPK32(400ピクセル)
HPK53(100ピクセル)
3×
106
1×
106
15℃
20℃
1×
106
3×
105
68.4
69.6
25℃
68.4
バイアス電圧(V)
15℃
20℃
25℃
バイアス電圧(V)
69.4
クロストーク率測定

クロストーク ‥あるピクセルがガイガー放電している時にフォ
トンが発生し、他のピクセルのガイガー放電を引き起こすこと
光を入れない状態でとったデータ
のうち、2p.e以上のノイズを1p.e
ノイズがクロストークしたものと考
えると、
104
103
102
10
0.5p.e
クロストーク率 =
1.5p.e　以上のカウント数
0.5p.e　以上のカウント数
1.5p.e
と計算できる
クロストーク率測定
HPK53(100ピクセル)
HPK32(400ピクセル)
0.3
0.1
68.4
バイアス電圧（Ｖ）
69.6
68.4
バイアス電圧（Ｖ）
69.4
基礎特性評価(PDE)
•縦軸の値はPMTとの相対的なPDE
HPK53（100ピクセル) HPK32(400ピクセル)
HPK21(100ピクセル)
2
1
T2Kの要請を満たす
範囲
500
900
ノイズレート(kHz)
T2Kの要請を満たす
範囲
550 ノイズレート(kHz)
900
ノイズレート(kHz)
400 ノイズレート(kHz) 900
ノイズレート(kHz)
•HPK32、HPK53はHPK21に比べて2倍のPDEを持つ
•HPK32、HPK53は~1Vの電圧範囲でT2Kの要請を満たす
基礎特性評価(リニアリティ)


MPPCは各ピクセルがガイガー
モードで動作するため、1ピクセル
に2つ以上のフォトンが入っても1
つとしか数えられない
ピクセル数が有限であるため入射
フォトン数が大きくなると、1ピクセ
ルに2つ以上のフォトンが入る確
率が大きくなり、入射光量に対して
MPPCの出力が線形でなくなる
PMT
一様光
青色LED
MPPC
図のようなセットアップでMPPCの入射光量をPMTで
モニターし、MPPCのリニアリティを調べた
リニアリティ測定
リニア
からの
ずれ
HPK32(400
ピクセル)
ノイズレー
ト=600kHz
直線で
フィット
10%
ピクセル数から計
算される理論曲線
150
入射p.e
20%
100p.e
200p.e 入射p.e
リニア
からの
ずれ
HPK21(100
ピクセル)
10%
ノイズレート
=600kHz
20%
30
入射p.e
25p.e 40p.e
入射p.e
パッケージ構造による光量のロス
•MPPCの表面の保護膜と受光面まで
は0.8mmぐらいの距離あり、ファイ
バーを出た光は40度くらい広がる
1mm
波長変換
ファイバー
MPPCの受光面に入る光は減少する
リファレンス用
PMT
青色 LED
スキャン
φ1mm波長変換ファイバー
MPPC(1mm2受光面)
図のようなセットアップ
でMPPCとPMTのp.e数
を比較し、パッケージ構
造による光量のロスを
含んだPDEを測定した
パッケージ構造による光量のロス
•縦軸の値はPMTとの
相対的なPDE
HPK53(100ピクセル)
▲ PDE
■パッケージ構造による光量のロスを考慮したPDE
HPK32(400ピクセル)
HPK21(100ピクセル)
2
2
60%
50%
1
60%
500
500
900
900
ノイズレート(kHz)
•パッケージ構造により光量は
50~60%になっている
550
ノイズレート(kHz)
900
ノイズレート(kHz)
400
900
ノイズレート(kHz)
HPKにパッケージ構造の改良を要求した
Pとπの光量分布
MPPCによるp/π識別が可能である
1.2GeV
1.0GeV
0.9GeV
1.2GeV
1.0GeV
0.9GeV
π
p
0.8GeV
0.7GeV
0.5GeV
0.6GeV
0.8GeV
0.7GeV
0.5GeV
MPPC
MAPMT
0.6GeV
MIPに対するMPPCとPMTの光量
MPPCの種類
MPPC p.e for
MIP
PMT p.e for MIP
PMTとの光量の比
HPK21#13
9.9
18.3
54
HPK21#14
10.2
18.2
56
HPK21#16
13.3
18.2
73
•ファイバーとMPPCとの位置合わせのずれと、MPPCのパッケージ構造
による光量のロスを考慮すると、得られた光量は測定したPDEから予想
される値とほぼ一致した
•MIPに対しT2Kの要請を満たす光量が得られた
ビームテストでのファイバーの位置合わせ
MPPCのパッケージ内での受光面の位
置はサンプルごとにばらついている
Y
0.8mm
Z
サンプルごとにファイバーの位置合
わせを行った
X
XY方向の位置合わせ
MPPC
固
定
具
フ
ァ
イ
バ
ー
固
定
ネ
ジ
移動ステージでファイバー
をスキャンし、MPPCのシ
グナルが最大の点でファイ
バーの位置を固定した
ファイバー(1mmφ)
X,Y方向の位置のずれにより最大20%の光量のロスが存在する
現段階のパッケージ構造によるもので、デバイスの性能からくるものではない
PDE測定
Y
MPPC
スリット
この点でPDEを測定
x
PMT



1mm径スリットを通ってきた光だ
けをとらえるようにする
2mm
MPPCとPMTを移動ステージで2
次元スキャンし、それぞれ光量
が最大の点を探す
MPPC X方向
光量が最大の点でのMPPCと
スキャン
PMTのp.e数の比をPMTとの相
対的なPDEとする
2mm
MPPC Y方向
スキャン

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