GLDカロリメータの読み出しに用いられる光検出器MPPCの

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８月２３日
原子核三者若手夏の学校@パノラマランド木島平
山崎秀樹
須藤裕司生野利典
国際リニアコライダー計画
標準理論の裏づけにはヒッグス粒子を呼ばれ
る粒子の発見が必要
その手段として、新たな高エネルギー加速器
をアジア、欧米各国で共同開発している
全長３０km
重心系エネルギー 1TeV
線形にすることにより、制動
放射を抑えられる
電子は内部構造をもたないた
め、backgroundが少ない
→精密測定に向いている
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GLD Calorimeter
GLD 検出器の完成予想図
断面図
（ビーム軸上から見たもの）
衝突点から近い順に
バーテックス検出器
中央飛跡検出器
カロリメータ
μ粒子検出器
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GLD (Global Large Detector) Calorimeter
for ILC (International Linear Collider)
W/Pbによるサンプリングカロリメータ
サンドイッチ構造→WLSF( Wave-length shifting Fiber) readout
ジェット再構成法
PFA (Particle Flow Algorithm)
Electro-Magnetic
による、粒子の正確な分離
Calorimeter
細分化したStrip Scintillator
10mm×40mm×2mm
tungsten plate
膨大の数のChannel数→(～10MChannel)
強磁場の環境での使用(～3T)
PMTでは困難
PMTに代わる光検出器として
MPPCが採用される予定
particles
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readout
MPPC (Multi Pixel Photon Counter)
浜松ホトニクス社と共同で開発している
次世代半導体光検出器
1mm
3 mm
1.3 mm
拡大
１mm
センサー面
真横からの図真正面からの図
PMT
MPPC
Cost performanceが良い
Gainが高い(~１０5)
磁場耐性に優れている
軽量で非常にコンパクト
応答が非線形である
熱電子ノイズの発生
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MPPCの動作原理
Guard ring
Al-conductor
Al -conductor
光子
n+
p
p-
アバランシェ層
雪崩増幅
Substrate p-
+
Substare+ p電子・ホール
p
対の生成
1pixelの断面構造
25~100 mm
光
子
MPPC
LED
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MPPC駆動回路
~1
mm
APD（Avalanche Photo Diode ）
が1pixelを構成している
MPPC Pulse Shape
1 p.e.
Pedestal peak
2 p.e.
1 p.e peak
2 p.e peak
1 p.e.の分解能が良い
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Requirement for GLD Calorimeter
Gain→少なくとも105以上
Dynamic Rangeの向上→1000 photo-electrons→数千
Pixelsが必要
Noise rate( Threshold=0.5 p.e)→1MHz以下
センサーの個体毎の性能のばらつきを抑える
Cross-talk が少ない
長期安定性
光子検出効率→30%
これらの特性を探るべく、筑波大では1600pixel
MPPCの基本特性の測定を行った
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Gain Set up
Noise Rate Set up
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Gain
d
•30oC
•25oC
•20oC
•15oC
•10oC
•0oC
•-20oC
C
Gain  (VBias  Vo )
e
Gainの理論式
S  d Gainの算出式
Gain 
C : Pixel Capacitance
A e
傾きCは温度によらない
S:ADC Sensitivity
V0: Breakdown voltage
= 0.25pc/ADCcount
Gainはバイアス電圧に対して線形に増幅
A: Amp gain = 63
e : electron charge し、その値は105以上あり、
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= 1.6 x 10-19 C GLD Calorimeterの要求を満たしている
V0 with Temperature Variation
BreakdownVoltageV0：
MPPCがガイガー放電を起
こし始める電圧値
V０は温度によって線形に変
化する
DV0/DT = (56.0 ± 0.1) mV/oC
→ΔV=Vbias-V0は温度によっ
て変化する
→使用環境の温度変化に
よりMPPCの諸特性に影響
する
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Noise rate
Noise Rate:熱電子によって起こる
雪崩によるsignal
0.5 p.e.
Threshold
1.5 p.e.
Threshold
•
•
•
•
•
•
•
30 oC
25 oC
20 oC
15 oC
10 oC
0 oC
-20 oC
温度、ΔVを下げるとノイズは減少す
る。
最大でも400kHzで、1Mhz以下の要
求を満たす。
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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
Cross-talkによるものとする
Rate( 1.5 p.e.)
cross-talk率は温度に依存しない
PCrosstalk 
Rate( 0.5 p.e.)
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P.D.E. (Photon Detection Efficiency)
Photon Detection Efficiency (P.D.E.)….光子検出効率
センサーに１光子が入射したときにそれを検出する確率
測定方法
PMT(HPK製 H1161GS)とMPPCでそれぞれ測定した光電子
数を比較し.P.D.Eを下の式から算出する
P.D.E.MPPC
NpeMPPC

 P.D.E.PMT
NpePMT
Set Up
PMT,MPPCに対して、同じ光量を当てるシステムが必要
MPPC
PMT
WLSF
LED
0.5 mm f Pin-hole
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PDE [ % ]
P.D.E. Result
ILC-11-025
2006.10
S10362-11025U
2006.12
ΔV ( = Vbias – V0 ) [ V ]
Gain = 3×105 で P.D.E. は 14~15%
P.D.E.のBias電圧依存性の理由:空乏層領域の変化
に伴う量子効率の変化
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まとめと今後の予定
GLDカロリメータの読み出しにMPPCを採用するた
めに基本特性の評価を行っている
Gain, Noise rateは要求を満たしている
Breakdown Voltageは温度によって変化する
→測定環境の温度管理やモニターシステムが必要になる
今後の予定
長期安定性の測定
磁場耐性の測定
放射線耐性の測定→現在set upがほぼ完了、来週測定へ
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Back Up
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Set Up
Gate
(P.D.E.)
Generator
PC
Gate
Signal
Delay
input
AMP ×63
0.5mm Pin Hole
MPPC
WLSF
Green
LED
交換する
Voltage
Voltage
source
Source
PMT
HV
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Thermostatic chamber
Gain
(Previous Version sample results)
V0=aT+b
a = (5.67 ± 0.03) x10-2 V
b = 66.2 ± 0.1 V 19
Noise rate
(Previous Version sample results)
•30oC
•25oC
•20oC
•15oC
•10oC
•0oC
•-20oC
Vbias – V0(T) [V]
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Cross-talk Probability
(Previous Version Sample results)
・30℃
・25℃
・20℃
・15℃
・10℃
・0℃
・-20℃
2 pixel firedのSignalを
crosstalkとする
Pcrosstalk
Rate( 1.5 p.e.)

Rate( 0.5 p.e.)
Vbias – V0(T) [V]
Vbias – V0 < 2.5Vの領域ではCrosstalkは
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あまり増加しない

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