T2K Near Detectorのための光検出器MPPC(SiPM)の性能評価 Contents 1. Introduction • Fine Grained Detector in T2K Near Detector • Requirement for the Photo Sensor • About MPPC, Motivation 2. MPPC Signal & p.e peak 3. Gain, Noise Rate, Cross talk Measurement 4. Summary 京都大学大学院理学研究科修士課程二年高エネルギー研究室信原岳 Fine Grained Detector Fine Grained Detector (FGD) T2K Near Detector 中のFGDにおいて、 1～1.5mmφのファイバーを1本1本個別に読み出す光検出器が必要である on-axis off-axis Requirement for the photo sensor fine grained detector 大量の光ファイバーの狭いスペースでの読出高磁場(0.2T)の環境下 (off-axis) MIP～low energy proton までの検出光検出器に課せられる要求 •コンパクトサイズ、安価 •読み出しボードの簡略化高ゲインが望ましい •磁場に耐性がある •Dynamic Range ～200 これらの基礎的要求を満たす光検出器として、 MPPC(SiPM)がその候補として挙げられている Advantage of Multi Pixel Photon Counter PMT APD MPPC Gain 106 ～ 107 100～ 200 106～ high gain 107 H.V 1～2kV 100～ 500V 20～ 80V OK OK 磁場内での動作 Proble matic low bias V low cost is expected 5mm compact size ! Dynamic Range ～1600 MPPCはFGDからの要求にマッチしていることがわかるよって、FGDでの使用へむけ、MPPCの性能評価を行う MPPCの動作原理 100～1600 APD pixels /mm2 1pixel Quenching Resister 個々のAPD pixel •ガイガーモードで動作 •フォトンが入射すれば、そのフォトン数によらず同一のシグナルを出す (Geiger discharge) MPPC •全てのpixelのanalog sum pixelがdischaregeしたときに chargeがこの抵抗を流れることで pixelにかかる電圧がbreakdown V 以下に降下し、dischargeが終了するをシグナルとして出す •MPPC シグナルから、discharge を起こしたpixel数がわかる測定のMotivation Motivation MPPCがFGDにおいて最適な光検出器であるかどうかを見極める今回その第一段階として、HPK製 10個、ロシア製4個の試作品について以下の測定を行った Pixel 100～1600 Bias V 34～74 (v) 受光面 1mm2 Signal width 5～100ns • シグナル、p.eピークの観測 • 基礎特性の評価 -- Gain, Noise Rate, Cross Talk (Bias V 依存性について) Signal & p.e peak raw signal 1p.e 2p.e 3p.e LEDによるシグナルを確認した最大で45 p.e ピークまでの観測に成功したピーク毎の間隔は2％以内で一致していた pixelごとにGainがよく揃っている 1mV/div 100ns/div Great Performance for Photon Counting! number of event さらに、p.e ピークを見ることができた HPK100a HPK100a V=48.0 by blue LED 30p.e adc count Gain の測定 • 微小な光量でのMPPC シグナルを用いる 20ns pulse Blue LED clock generator gate WLS preamp MPPC • MPPC Gain はBias V, • 測定は全て恒温槽内で２０℃で行った ×10 ～100 event number 温度依存性を持つ gate generator ADC charge sensitive 0p.e 1p.e calculate MPPC gain from 1p.e-0p.e count adc count Gain v.s Bias V (20℃) シグナル幅= Cpixel×Rquench •Gain=1×105 ～2×107 •dG/dV =Cpixel /1.6×1019 known value よく一致した Pixelが持つcapacitance ×103 Gain Gain ×104 Quenching Resister HPK100a 47 bias voltage (V) 48.4 HPK400b 47.5 bias voltage (V) 49.5 •Gain=3×105 ～2×107 •dG/dV depends on Capacitance of a pixel •T=20℃ Gain Gain v.s Bias V Rus600d Rus600b Rus600a Rus600c HPK100a Gain Gain bias voltage (V) HPK100f HPK100d number of pixel HPK100e HPK400b HPK1600a bias voltage (V) bias voltage (V) Noise Rateの測定 • MPPCはランダムな熱電子ノイズを持つ (1p.eパルスが typical） • 測定は光を当てていない状態で 2通りの方法で thresholdを取って行ったパルス波高による threshold 0.5p.e or 1.5p.e th MPPC output discriminator scaler # event chargeによる threshold 0p.e 1p.e MPPC output random gate no LED no LED 0.5p.e 1p.e pulse adc take as noise 0.5p.e adc count HPK100a HPK400b (20℃) noise rate (Hz) noise rate (Hz) Noise Rate v.s Bias V HPK100f HPK100d HPK100e HPK1600a noise rate (Hz) bias voltage (V) bias voltage (V) 0.5p.e threshold by pulse height RUS#14 RUS#20 RUS#23 RUS#22 bias voltage (V) 0.5p.e threshold by charge よく一致している 1.5p.e threshold by pulse height Cross talk Rate measurement いま、1つのピクセルがdischargeしたときに,他のピクセルのdischargeを引き起こす確率をcross talk Rateと呼ぶことにする cross talk Rateを •0.5p.e th,1.5p.e th のnoise rateの比較 •LEDの光による,ADC分布とポアソン統計との比較の２通りで測定するポアソン統計によるCross Talk Rateの測定 LEDによるp.e分布について、データの 0p.eの比率をもとにしたポアソン統計と比較しCross talk Rateを求める 0p.e integrationをとる（p.eごと） #event 1p.e ratio by LED 2p.e Cross Talkによるポアソン統計からのずれが見られる adc count ratio HPK400b V=48.6 1p.e ratioの減少分から Cross Talk Rateを導く 3p.e ポアソン統計 HPK400b V=47.8 データ p.e# p.e# low voltage ではよく一致する測定誤差の範囲内で一致している Rus600d Rus600c Rus600b Rus600a by poisson law by noise rate X-talk Rate X- talk Rate X- talk Rate X-talk v.s bias V (２０℃) HPK100a HPK400b HPK1600a HPK100f HPK100d HPK100e bias voltage (V) bias voltage (V) Photon Detection Efficiency measurement (rough measurement yet) •移動ステージでMPPCをLEDに垂直な平面上で動かしシグナルが最大の点でデータを取った •同じsetupでMPPCを入れ替え、同様に測定を行い、それぞれを比較した 1pixelが再dischargeしている可能性があり、その影響を除くため、 pulse height を取った。（オシロで電圧値を読み取った）恒温槽 20℃ blue LED 10ns y MPPC x 約40cm 移動ステージ signal height (p.e) Signal (p.e) v.s Noise Rate 5-63-1A-2(100d) 21-53-2A-3(100f) 21-53-1A-3(100e) 1-32-21(400b) 5-31-22(1600a) RUSSIA14 (600a) 1-43-22(100a) noise rate (Hz) noise rate (Hz) noise rate (Hz) HPK400b HPK100a Gain Gain noise rate (Hz) noise rate (Hz) RUS600a HPK100f HPK100e RUS600b RUS600c RUS600d HPK100d Gain Gain Low bias Ｖでのふるまい (HPK100a) MPPC のほぼ正面でblue LEDを光らせた。大光量が入射された状態 bias Vを上げていくと V=41.7 V=47.0 大きくなる Geiger dischargeが 1mV/div 100ns/div V=10程度でも見られる。 Geiger dischargeだとは考えにくいその上に見え始める V=47.0 no LED 100pixel中,数pixel だけがガイガーモードになっている？ LED 2V LED 3V pixelごとにbreak down voltageがばらつ Geiger dischargeではない成分いている可能性がある 100pixel some the others Geiger mode Avalanche mode LED 5V 大きな光量を当てているのに数 pixel分のシグナルしか見られない Unknown Behavior 可能性 •ピクセルごとの Gainのばらつき •ピクセル間の X-Talk number of event HPK製の4つのMPPCにおいて、以下のようなADC分布が得られた HPK1-63-1A-22 by LED 大きさの異なる2通りのピークがみられた HPKに聞いたが、原因は分からず adc count Noise Rate, X-talk Rate v.s Gain Noise Rate <～ 1MHz X-talk Rate < 35% cross talk Rate noise rate (Hz) 0.4 HPK100f 106 HPK400b RUS600b HPK100a HPK100d HPK100d 全ての pixel が Geiger mode になる breakdown V HPK100e を押さえて、適正動作電圧を決定しなければならない HPK100f HPK100e HPK400b RUS600b HPK100a 106 107 Gain 106 107 Gain Summary • HPK製、ロシア製のSiPMについて、シグナル、p.e ピークを確認した • 基礎特性の評価を行った • Gain v.s Bias V Gain ～2×107 • Noise Rate v.s Bias V Noise Rate < 1MHz ～ • Cross Talk Rate v.s Bias V X-talk Rate < 35% Future Plan • Q.E, Pulse linearity の測定 (PMT as Reference) • 基礎特性,breakdown voltageを押さえた上で、適正動作電圧,そして条件に適したMPCを選ぶ • ビームテスト@KEK 全てのpixelがGeiger modeになる breakdown Vを求めるためにpixel saturationが見える最小のBias Vを押さえる問題点 • pixelの再discharge パルス幅(recovery time)<LEDの発光時間のとき起こりうる。saturationが見られない。 pulse heightで見る or 発光時間の短いレーザーを使う • 大きな光量を当てたときに見えるGeiger modeでない成分。オシロでは判別が困難 • PDEが非常に小さくsaturationに十分な光量が当てられていない可能性測定を進める上での問題点 • Bias Vのモニタリングテスターを直接あてるのと、銅線で数m引いて恒温槽の外でみるのとで0.5V程度差がでる • Supplement HPK100aのあるBias Vの領域において半端なp.e数で saturateが起こる number of event Break down Voltage 100p.e saturation HPK100a V=48.0 100pixel中30pixel だけがガイガーモードになっている？ 30p.e 100pixel 30 70 HPK100a V=47.2 LED full intensity Geiger mode Avalanche mode pixelごとにbreak down voltageがばらついている可能性がある adc count HPK400a V=47.5 V=48.8 V=49.8 V=48.3 V=49.0 V=50.1 V=48.5 V=49.6 V=50.85 Pixel Saturation 時の信号波形 100ピクセルSiPMにLED (10ns)で大きな光量を入れ、 saturation signal 500mV をみた 100ns 5mV long tail 1 p.e signal その結果、pulse height saturation signal HPK21-53-1A-3 はsaturateしたが、波形 (100pixel) のtailは光量とともに伸びていき、chargeのsaturateは見られなかったまた、saturation以下の波形においてもこのようなtail がみられた Unknown Behavior •such a behavior was seen in HPK’s 4 SiPMs number of event •Possibility that pixel’s gain are divided to two pattern ? p.e peak HPK100b •currently we are researching this in detail adc count SiPM ID ピクセル数ピッチ (μm) Vb(V) シグナル幅（ns) quench抵抗(kΩ) Vr(V) Id(nA) 構造 5-31-22 (1600a) 1600 25 79 5 135 73.5 4.6 type4 1-21A-21 (1600b) 1600 25 55 5 135 49.5 19 type1 1-22-2A22 (400a) 400 50 55 10 180 48.7 4.7 type1 1-32-21 (400b) 400 50 53 10 108 48.4 54 type2 1-43-22 (100a) 100 100 52 100 270 48.4 625 type5 1-63-1A22 (100b) 100 100 54 60 270 49.6 15 type1 1-63-1A23 (100c) 100 100 53 60 270 48.1 48 type1 5-63-1A-2 (100d) 100 100 53 40 270 72.7 24.7 type3 21-53-1A3 (100e) 100 100 75 12 42 70.6 21.7 type6 21-53-2A3 (100f) 100 100 76 40 147 70.6 19.8 type6 表の補足 •シグナル幅以外はHPKさん提供のデータ •シグナル幅は1p.eシグナルの波高の1/2の高さでの時間幅 •Vbは暗電流が100μA流れたときの逆電圧 •Vrは電圧0のときに出力電流10nAになるように光を入れて、その状態で電圧を加えて出力電流が1000倍（10μA)になったときの電圧 •IdはVrの電圧を印加した状態で光をオフにしたときに流れる暗電流 noise rate (Hz) Noise Rate v.s Bias V (20℃) 106 105 104 103 HPK100a 102 HPK400b 47 49 bias V (V) 0.5p.e threshold by pulse height 0.5p.e threshold by charge 1.5p.e threshold by pulse height よく一致している