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R&D of MPPC
including readout electronics
田口誠（京都）
村上武、田中真伸(KEK)
測定器開発室ワークショップ 12/7
内容
MPPCに対するT2Kからの要求
 読み出しエレキ開発のモチベーション
 Trip-t
 MPPCの読み出し
 今後の予定
 まとめ

T2Kからの要求
項目
要求
状況
エリア
1.2×1.2mm2
開発中
ピクセル数
100/400
OK
ゲイン
ノイズレート@0.5p.e.
スレッショルド
クロストーク
～106
<1MHz
OK
OK
<10%
開発中
PDE
>30%
OK
時間分解能
~2,3ns
OK
T2Kからの要求は、エリア、クロストークを除いてほぼ満たされている
現在のサンプルでも十分使用し得る
読み出しエレキ開発のモチベーション
T2K実験では～60,000個のMPPCを用いる
複数のチャンネルを同時に読み出すためのエレクトロ
ニクスが必要不可欠
Trip-t(TRIgger and Pipeline with Timing)の使用が決定
している
 もうすぐ（今年中?）に～500個のサンプルが納入予定
 それらのテストを行うフロントエンドが必要
（CAMACだと500個をテストするのはしんどい）

これらのモチベーションに基づきTrip-tのテストを行った
Trip-t
Trip-t
14mm



フェルミ研で開発され、D0実験のVLPC(Visible Light
Photon Counter)のフロントエンドとして使用された
入力 32chのアナログシグナル
出力 1. 32chそれぞれのDiscriシグナル(D_OUT)
2. 入力電荷に比例したアナログシグナル(A_OUT)
3. 入力とゲートの立ち上がりの時間差に比例した
アナログシグナル(T_OUT)
今回、A_OUTについてのみ述べる
テストボード
Trip-tのテスト用に測定
器開発室の予算でテス
トボードを作成
測定器開発室として、
MPPCの読み出しエレキ
に始めて着手した
 MPPCの入力は4ch
 電源は+2.5V

Trip-t回路図
A_OUT
(電荷情報)
入力
フロント
エンド
A_パイプライン
T_パイプライン
アナログ
マルチプレクサ
T_OUT
(時間情報)
アナログ
マルチプレクサ
デジタル
マルチプレクサ
D_OUT(discriシグナル)
•増幅
読み出す前に、シグナルを 32chの入力を
今回はA_OUTについて述べる
ストックしておく
•Discriシグナル
シリアル化する
（深さ１－４８）
を生成
Trip-t読み出しシーケンス
MPPCシグナル(ch1)
プレアンプリセット
プレアンプを通った後のMPPCシグナル
マルチプレクサのクロック
A_OUT
0
1
2
32
Trip-t A_OUT ゲイン
3pF
1pF
プレアンプ
パイプライン
入力
プレアンプゲイン
x1 or x4
パイプラインゲイン
x2,x4,x8…
リニアリティ
入力電荷 vs ADCカウント
•色の違いはTrip-tのゲイン
の違いを表す
入力電荷 vs フィット直線からのずれ
MPPC 10p.e.
(G=7.5x105)
•Trip-tのゲインを大きくすると低チャージのところで直線からずれる
プリアンプゲインx1、パイプラインゲインx4で使う
A_OUT ゲイン
チャン
ネル
15
ゲイン
(ADC count/pC)
730
16
710
31
735
32
732

チャンネルごとのゲイン
のばらつきは~4%
A_OUT クロストーク


0.4%

ch
テスト電荷を入れてい
るチャンネル(ch15)以
外のチャンネルにシグ
ナルがクロストークして
いないか？
クロストークの定義=
あるチャンネルのADC
カウント/ch15のADCカ
ウント
クロストークの割合は
0.4%程度で、十分小さ
い
MPPC読み出し
•T2K向け最新の100、400ピクセル
のサンプルを使用
セットアップ
-5V
Trip-t
コントロール
シグナル
A_OUT
MPPC
LED
Labview
+
4mケーブル
オペアンプ
FADC
+5V
トリガー
A_OUTの電位差を
デジタル情報に変換
•400ピクセル
A_OUT
•ゲイン＝6.5x105、ノイズレート@0.5p.e.th=100kHz
1
2
4
0
3
3
Trip-tを用いてMPPCの読み出しができた
2
1
4
0
A_OUT
ADCカウント
CAMAC、Trip-tで測ったMPPCのゲイン
by Trip-t
by CAMAC
•100ピクセル
•400ピクセル
1x106
3x106
それぞれの方法で測ったゲインはよく一致している
Trip-tのキャリブレーションが正しくできている
5
6
4x10
1x10
69.4V
70.4V
69.4V
70.4V
100ピクセル
ゲイン=2.7x106
400ピクセル
ゲイン=6.5x105
400ピクセル
ゲイン=7.5x105
400ピクセル
ゲイン=1.1x106

4ch同時読み
出しができた
Trip-tゲインの最適化
Trip-tのゲインは、これまでのセッティングに対しあ
とファクター4だけ下げられる
Trip-tのゲインを下げるとダイナミックレンジも大きく
なるが、1p.e.の分解能も悪くなる
Trip-tのゲインをどこまで下げられるかを調べた
@400ピクセル、ゲイン=7.5×105
(T2Kでのオペレーションポイント)

Trip-tゲイン x1(最小)
Trip-tゲイン
X1
X2
X4
ダイナミックレンジ
～40p.e.
～20p.e.
～10p.e.
Trip-tゲイン x2
S/N
3
10
20
•基礎特性を測る時
に0p.e.と1p.e.がきれ
いに分離していた
方がよいTrip-tゲ
インx2以上
今後の予定
現在のボードでは4chしか同時に測定できない
31ch読み出せるボードを開発中、年明けには
（測定器開発室の予算で大量のサンプルをテス
トする方法の確立も測定器開発室の重要なアク
ティビティである）
 このボードを用いて500個のサンプルをテストす
る
- ゲイン、ブレイクダウン電圧のばらつき
- PDEのばらつき

現在開発中のボード
1
Labview
Trip-t
31
バイアス電圧
(全チャンネル共通)
A_OUT
コントロール
シグナル
PPG
•1chはキャリブレーション用
FADC
•コントロールシグナルは
Labview又はPPG(VMEのモ
ジュール)から送る
まとめ
これまででMPPCの特性はよく測られ、T2Kで使
用し得るものである
 Trip-tをMPPCの読み出しエレキに用いた
フォトピークを確認、MPPCのポテンシャルを損
なわないものであることを示した
 1p.e.を見たい場合、ダイナミックレンジは～
20p.e.@MPPCゲイン=7.5×105
 大量サンプルのテストに向け、31ch同時読み
出し可能なボードを製作中

T_OUT
MPPCシグナル
D_OUT
電圧
パイプライン
クロック
時間差
Back up
T_OUT リニアリティ
T_OUT ADCカウント vs 時間
時間(ns)
•入力電荷=0.65pC
フィット直線からのずれ vs 時間
時間(ns)
T_OUT ゲイン
チャンネル
ゲイン
(count/ns)
15
8.52
16
8.60
31
8.00
32
9.97

ばらつき~25%
Trip-tのT2Kでの使用

ハイゲイン、ローゲインチャンネル
MPPC
シグナル
100pF
ハイゲインチャンネル
ローゲインチャンネル
10pF
Trip-t
ハイゲインチャンネル: フォトピークからゲイン測定
ローゲインチャンネル: 数100p.e.までのダイナミックレンジをかせぐ
スピル構造
スピル構造
4.2µs
4.2µs
4.2µs
2-3.53s
2-3.53s
スピル構造
58ns
58ns
540ns
チップ時間構造
58ns
540ns
58ns
540ns
integration
58ns
540ns
58ns
540ns
58ns
540ns
reset
8 (15) バンチ
 バンチ間隔 540 (241) ns

58ns
540ns
58ns
540ns

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