新型光検出器 Multi-Pixel Photon Counter(MPPC) の 開発 田口 誠(M2) 京都大学高エネルギー研究室 内容 T2K実験 Multi-Pixel Photon Counter(MPPC) 基礎特性 レーザーを用いたテスト 読み出しエレクトロニクス まとめ 目的 νμ νμ ντ T2K 実験 νe 振動モードの発見 振動モードの精密測定 ν J-PARC SuperKamiokande T2K前置検出器の光検出器 前置検出器 ：振動前の ニュートリノのフラックス、 エネルギースペクトルを 測定 Magnet ν 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、 狭いスペース コンパクト、安価 0.2Tの磁場 磁場への耐性 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開発 PMT MPPC サイズ ~10cm 1mm 電圧 1000~2000V ~70V 磁場での使用 × ○ ゲイン ~106 ~106 光子検出効率 ~15% 30~45% APDピクセル 1mm 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 Vbias ガイガー 放電 クエンチング ガイガーモード APD フォトン キャパシタンス ~200fF ~1V 1ピクセルが 出すチャージ = C ×(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 1p.e. 2p.e. 3p.e. 基礎特性の評価 動機 MPPCは新型の光検出器 その基礎特性がT2Kの要請を満たすか？ 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 1p.e. 2p.e. 3p.e. 60ns 60ns 1p.e. 2p.e. 3p.e. 優れたフォトンカウンティング能力! ゲイン 0p.e. 3.0x106 １p.e. Q 6 1.0x10 ゲイン= Q/e 1.0×106 ~ 3.0×106 印加電圧に対しリニアQ = C (Vbias-Vbd) 印加電圧(V) 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 光子検出効率 = (PMTとの相対値) MPPCの光量 PMTの光量 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、0.5p.e.,1.5p.e.の閾値を設定し、それを 超えるパルスの数を数える (kHz) 500 1p.e.ノイズ 1p.e. ノイズ 0.5p.e. 2p.e. ノイズ 1.5p.e. 1p.e.ノイズレート <500kHz 100 2p.e.ノイズレート <100kHz 2p.e.ノイズ 印加電圧(V) レーザーを用いたテスト 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 100ピクセル 緑色 レーザー RMS/mean =3.3% MPPC ~2um 移動ステージ 100um よくそろっている 動機 MPPC読み出しエレクトロニクス 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 Trip-tチップを用いた読み出しエレクトロニクスを開発 パラレル シリアル ch1 ch2 ch2 14mm Trip-tチップ フェルミ研 ch32 で開発 Trip-t ch1 ch32 時間 チャンネル数 321 Trip-tを用いたMPPC読み出し MPPC テストボード(4ch) フォトン ピーク X4 LED 4chのMPPC同時読み出しができた これからの予定 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 T2K実験に向けMPPCの開発を行った 100ピクセル 20℃ ゲイン 1p.e. ノイズレート 性能 1.0~3.0 ×106 100~500kHz 10~100kHz PMTの 2~3倍 T2Kの 要請 ~106 <1000kHz PMT以上 2p.e. ノイズレート <50kHz 光子 検出効率 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 MPPCの光子検出効率 • 検出効率 = εgeom x QE x εGeiger -εgeom : 1ピクセル内の有感領域の割合~70% - QE : APDの量子効率 ~ 70% - εGeiger : ガイガー放電の確率(V) <~90% 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 x(1 c) Nfired N0 (1 exp( )) 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 A_OUT (電荷) フロント エンド パイプライン パイプライン マルチプレクサ T_OUT (時間) マルチプレクサ マルチプレクサ •増幅 •デジタルシグナル を生成 シグナルをストック D_OUT(デジタル) 32chの入力を シリアル化 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 Trip-tのダイナミックレンジ •Trip-tのダイナミックレンジはゲインが最小の時でも~40p.e. MPPCの大量サンプルテストには○ T2Kでは×（～100p.e.までのリニアリティ） 100pF ハイゲインチャンネル MPPC 10pF ローゲインチャンネル •ハイゲインチャンネル・・フォトンピークからMPPCのゲインをモニター •ローゲインチャンネル・・~100p.e.までのリニアリティを確保する 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 MPPCコネクター ファイバー ハウジング MPPC ハウジング
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