MPPC 放射線耐性の評価測定 ILC Cal Meeting 2007年９月６日 筑波大学 山崎 生野 須藤 高橋 2015/10/1 1 γ線照射 to MPPC • GLD CalorimeterではMPPCは放射線環境下での 使用が見込まれ、放射線耐性を評価する必要 がある • そのため、東工大久世研究室でγ線を照射した MPPCの放射線耐性の評価をする • 東工大での照射環境 - 照射サンプル→ILC-11-025M , sample#6 - 1krad/hで24時間照射→累積24Krad (MPPC受光面に垂直にγ線が入射するよ う設置) - 印加電圧はVop= 77.86Vをかけ、25℃で一定 2015/10/1 2 γ線の照射の影響 • Total dose 効果 : 照射量に比例して漏れ電流増加 - Bulk damage（Si層の格子欠陥） - Hole trap（SiO2層に正孔が捕獲される） - Surface damage (Si-SiO2境界面に正孔が蓄積) • 高波高ノイズ 効果 : ある照射量から大きく漏れ電流 変化 局所的に高電圧状態→高波高ノイズ発生 2015/10/1 3 SIPM損傷試験：ADC distribution @東工大 照射前 （累積放射線量22.2krad） 10krad/h*10h照射後は photon counting出来ていな い 2015/10/1 （累積放射線量122.2krad） 4 MPPC Pulse Shape (Radiation ) 測定一回目 1時間後 測定二回目 1時間後 セルフトリガーでの信号 ランダムトリガーでの信号 測定二回目 8時間後 2015/10/1 高波高ノイズと思われる信号が出ており、波高は1 p.e. (約 35mv 1600pixel)よりも高い(>2 p.e. height) 測定項目 Gain,NoiseRate測定 照射前のものと比較し、放射線による影響をみる 漏れ電流測定 時間変化を測定し、回復をみる 今回はバイアス電圧を変えずに測定した 2015/10/1 6 測定手順 （バイアス電圧は78.0V ） Gain測定 (LED電源のoutputを切って) 同時進行 NoiseRate測定 測定手順 漏れ電流測定 (測定時間 ５時間) ２５度で3時間 保存 Gain測定 NoiseRate測定 (再度バイアスをかけて) 漏れ電流測定 ○Gain,NoiseRate測定は、前後変化をみるために、 できるだけ短い時間で終わらせる必要がある。 ↓ 測定時間の短縮が必要 2015/10/1 Gain(ADC Distribution) Gain Sd Ae S :ADC 分解能 (0.25pc/Count) d: 1 p.e. mean – Pedstal mean A : Amp gain = 63 e : electron charge = 1.6 x 10-19 C 測定一回目 バイアスをかけた直後 全event数 10000 2015/10/1 測定二回目 バイアスをかけた直後 全event数 10000 分解能が悪くなっており、 Photon Countingが出来ない 測定二回目 バイアスをかけてから 14時間 全event数 100000 8 Noise Rate(Threshould Curve) Noise Rate:熱電子によって起こる 雪崩によるsignal Threshould Curve 放射線をあててない MPPCの Threshold Curve（現行システム） バイアス電圧をかけた直後からのプロット 0.5 p.e. Threshold 1.5 p.e. Threshold 2015/10/1 オーダーは10MHzまで 達している 放射線をあててないMPPCでは 9 数十KHz Noise Rate(Threshould Curve その２) この波高領域が 効いている 一度バイアス電圧を切ってから再度測定 Dark Noiseの数が多すぎて CAMAC Discriのgateに入 りきっていないのではと思わ れる 2015/10/1 10 漏れ電流 (Leakage Current) 半導体検出器に逆電圧印加時、熱電子によって 定常的な電流が発生 Time Vs Leakage Current 9.00 MPPCに光をあてていない状態で 回路内に流れる電流量を マルチメータで測定する 2015/10/1 Leakage Current(μA) 8.00 7.00 6.00 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 0 5 10 15 20 25 30 Time(hour) 35 40 今回の測定では漏れ電流のピークは8μAで 東工大 松原さんの結果では10μA まで達して いることから、アニーリングは進んでしまっている ことが分かる 45 50 11 55 今後の予定 • MPPCの放射線損傷に関する物理がまだはっきり 分かっていない • GLD Calorimeterではある放射線量においての MPPCの寿命がまだはっきり分かっていない – GLD dod(Detector outline document)や文献等をた どって調査→今後の照射実験の実験計画を練るのに 不可欠 • 照射実験 – γ線 東工大 – Proton 筑波大 ATLASグループが東北大で行ってい る照射実験に参加?? 2015/10/1 12 Back Up 2015/10/1 13 γ線の照射の影響 • Total dose 効果 : 照射量に比例して漏れ電流増加 - Bulk damage（Si層の格子欠陥） - Hole trap（SiO2層に正孔が捕獲される） - Surface damage (Si-SiO2境界面に正孔が蓄積) • 高波高ノイズ 効果 : ある照射量から大きく漏れ電流 変化 局所的に高電圧状態→高波高ノイズ発生 2015/10/1 14 2015/10/1 15 2015/10/1 16 MPPCの動作原理 Guard ring Al -conductor 光子 雪崩増幅 1pixelの断面構造 25~100 mm 光 子 MPPC LED 17 MPPC駆動回路 ~1 mm APD（Avalanche Photo Diode ） が1pixelを構成している Gain •30 C o •25oC •20oC •15oC •10oC •0oC •-20oC d Gain S d Gainの算出式 Ae Gain C (V Bias V o ) Gainの理論式 e C : Pixel Capacitance 傾きCは温度によらない V0: Breakdown voltage S:ADC Sensitivity = 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、 18 = 1.6 x 10-19 C GLD Calorimeterの要求を満たしている 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 Noise rate • • • • • • • 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 19 求を満たす。
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