1600pixel MPPC 特性の温度依存性 - www

Performance of 1600-pixel MPPC
for the GLD calorimeter readout
2006年12月7日（木) 光検出器ワークショップ
@ 浜松名鉄ホテル
前田高志（筑波大学)
for the GLD Calorimeter Group
--- Contents --• Introduction
• Basic performance
• Uniformity within a sensor
• Summary and plans
GLD (Global Large Detector)
Calorimeter
 カロリメータ内での
粒子の識別が要求される
Electro-magnetic Calorimeter
tungsten plate
 微細な分割が必要
 膨大なチャンネル数
~10 Mchannel
 強磁場中で使用
PMTに代わる新しい
光検出器としてMPPC
1 cm x 4.5cm x 3 mm
particles
readout by MPPC
Requirements for the GLD Calorimeter
► Gain
~ 少なくとも105
► Dynamic range ~ 1000 p.e.(>2500 pixels)
► 光子検出効率 ~ 30 %
► Noise rate < 1MHz (threshold=0.5 p.e.)
► センサー内
/ センサー毎の性能のばらつきが
少ないこと
► ピクセル間のCross-talkが少ないこと
► バイアス電圧、温度の変化に対する安定性
► 長期安定性
The Multi-Pixel Photon Counter (MPPC)
…新しいタイプの半導体光検出器
~ 1 mm
25~100 mm
Depletion
region
Substrate
Gain が高い
光子検出効率が良い
コンパクト ~ 数 mm
Cost performanceが良い
磁場耐性
Dark noise
応答が非線形
Si Resistor
1600-pixel
Guard ring n
Bias voltage (70~80 V)
+
p+ n
Al conductor
p-
substrate p+
MPPC
MPPC R&D for the GLD calorimeter
これらの要求を実現するため
浜松ホトニクスと協力してMPPCの研究開発
MPPCの性能、特性を評価
► 必要な性能改善の要求
浜松ホトニクスへのフィードバック
► それをもとにMPPCの改良
1600-pixel MPPC
4 mm
3 mm
1.3 mm
1 x 1 mm
► 2006年1月のsample
► 2006年10月のsample
２０個
Pulse Shape
1 p.e.
2 p.e.
Measurement of Basic Characteristics
► 最新の1600-pixel
MPPCについて特性評価
 Gain, Noise rate, Cross-talk
► バイアス電圧、温度依存性
Set up
Green LED
MPPC
恒温槽
Gain result
Pedestal peak
25 oC で測定
1 p.e. peak
d
2 p.e. peak
…
S : ADCの分解能
= 0.25 pC/ADCcount
A : Amp gain = 63
e : 素電荷
S d
= 1.6 x10-19 C Gain 
A e
C
Gain  (VBias  Vo )
e
C : pixel容量
V0: Breakdown voltage
V0 / C Variation
Mean : 75.55 V
Variation : 0.22 V
Gain 
C
(VBias  Vo )
e
C : pixel容量
V0: Breakdown voltage
Mean : 23.82 fF
Variation ~ 3.1 %
► Sample毎のばらつきは小さい
Gain の温度依存性
•30oC
•25oC
•20oC
•15oC
•10oC
•0oC
•-20oC
DV0/DT = (56.0 ± 0.10) mV/oC
C
Gain  (VBias  Vo )
e
C : pixel容量
V0: Breakdown voltage
► V0
は温度に対して線形
► DV = VBias – V0(T)
が温度によって変化する
Noise rate / Cross-talk Variation
► 25 oC
で測定
Threshold
0.5 p.e.
Threshold
1.5 p.e.
Noise rate / Cross-talkの温度依存性
•
•
•
•
•
•
•
30 oC
25 oC Threshold
20 oC 0.5 p.e.
15 oC
10 oC
0 oC
-20 oC
rate
► Cross-talkは温度に依存しない
► 温度、DVが低いほど低Noise
Measurement of uniformity
in the sensor
レーザーシステムを用いて
► ピクセル内のスキャン
► ピクセル毎のスキャン
以下の量のばらつきを評価
► Gain
► Hit fraction
1 pixel
1 pixel
レーザーシステム
• @ KEK 測定器開発室
• YAG Laser,  = 532 nm (green)
• Pulse width ~ 2 nsec
• Pulse rate ~ 8 kHz
• Spot size ~ 1 mm
• 光量 ~ 0.5 p.e. (not calibrated)
1600 pixel MPPC
Microscopic picture of a pixel
► New
► Old
sample
Laser spot
~25 mm
sample
► Plastic packageで
乱反射の影響か
focusが合わず
Hit fraction vs. Bias Voltage
Pedestal
1 pix. fired
2 pix. fired
(cross-talk)
N ev ( 0.5 p.e.)
PHit 
N ev (all)
@ 室温
Hit fraction
►Pixelの中央にレーザー照射
• Hit fractionはバイアス電圧に依存
• Vbias > 70 V で一定になる
Uniformity within a Pixel - Hit fraction
Hit fraction
Vbias = 70.0 V
Bias voltage
• -71.0V
• -70.0V
• -69.5V
• -69.0V
1 pixel
• 有感領域の割合 ~20 %
• 有感領域内のばらつき
~ 9.2 % (RMS)
• バイアス電圧によって、有感領域の形
は変化しない
Uniformity within a Pixel - Gain
Vbias = 70.0 V
y-point (1 mm pitch)
Edge of the sensor
x105
x-point (1 mm pitch)
•ピクセルの中央は高いgain
•有感領域内でのばらつき
~ 2.7 % (RMS)
Pixel-by-pixel uniformity - Hit fraction
edge of the sensor
ばらつき ~ 3.2 %
20 x 20 pixels
0.55
Sensor
0.44
Pixel-by-pixel uniformity - Gain
edge of the sensor
• 端のピクセルが
高いGain
• 模様が見えた
• ばらつき ~ 2.4 %
3.8 (x105)
3.2(x105)
Summary
► GLDカロリメータの読み出しに1600-pixel MPPC
を使用するために、その特性の評価を行っている
 Gain, Noise rateは要求を満たしている
 センサー内 / センサー毎の性能のばらつきは小さい
 Breakdown voltage が温度によって大きく変化する
►温度管理やモニターが必要
► さらなるDynamic
rangeの改善, 有感領域の拡大
が必要
Plans
► 光子検出効率の測定(現在進行中)
► 応答曲線(入射光量 vs. 出力光量)
► New sample でのレーザー測定
Back up…
Old sample results - Gain
•30oC
•25oC
•20oC
•15oC
•10oC
•0oC
•-20oC
V0=aT+b
a = (5.67 ± 0.03) x10-2 V/oC
b = 66.2 ± 0.1 V
Old sample results – Noise rate
•30oC
•25oC
•20oC
•15oC
•10oC
•0oC
•-20oC
Vbias – V0(T) [V]
Hit fraction vs. Bias Voltage
►ピクセルの中央にレーザー照射
@ 室温
N ev ( 0.5 p.e.)
PHit 
N ev (all)
Pedestal peak
1 pix. fired peak
2 pix. fired peak
バイアス電圧に依存
DV > 3 V で一定になる
Hit fraction
Laser scan
Gain (x 105)
► 他のパッケージでスキャン
を考えている
Response / Correction curves ( with small cross-talk )
R (p;Npe)
R-1(p;Nfired)
p=0.1
p=0.1
p=0
(no cross-talk)
Response curve
Correction curve

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