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９月 22 日 日本物理学会＠北海道大 筑波大学 山崎秀樹 金信弘 須藤裕司 生野利典 高橋優介 2016/7/22

GLD Calorimeter では MPPC は放射線環境 下での使用が見込まれ、 そのために東工大久世研究室で γ 線を 照射し,MPPC の放射線耐性の評価をす る γ 線照射 to MPPC 2016/7/22

放射線照射による影響 Total dose 効果 照射量に比例して漏れ電流増加 - Hole trap （ SiO2 層に正孔が捕獲される） →X 線、電子、 γ 線 - 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 2016/7/22

γ 線照射実験＠東工大 放射線源 : ~15TBq 60Co Source γ-ray energy : MeV, MeV 60 Cm MPPC 60Co Source 照射サンプル ILC M sample#9.#12,#14 累積放射線量 1krad/h 12 時間照射 →12krad(120Gy) 1krad/h 6 時間照射 →6krad(120Gy) 1krad/h 3 時間照射 →3krad(120Gy) 2016/7/22

測定項目 2016/7/22 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 Leakage Current 測定 時間変化を測定し、回復現象をみる I-V Curve の測定 Total dose 効果のみがみられる時に測定する

Leakage Current ( 照射中 ) 2016/7/22 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 6 Leak Current 測定回路 30Gy (3krad) 照射サンプル (#14)60Gy(6Krad) 照射サンプル (#12) 120Gy(12krad) 照射サンプル (#9) 120Gy をあてたサンプルで は高波高ノイズが発生して いる 2016/7/22

MPPC Pulse Shape 120Gy 照射後サンプル バイアス電圧印加直後 （セルフトリガーでの波形） 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 20mV 1600pixel) よりも高い (>5p.e. height) 2016/7/22

Leakage Current ( 照射後 ) 放射量によって Leakage Current が増加 120Gy をあてたサンプルでは高波高ノイズによる影 響が 大きく出ている 120Gy をあてた Sample にバイアス 電圧をかけ続けると、回復現象 がみられる 2016/7/22

Gain 120Gy 60Gy 30Gy S: ADC Sensitivity = 0.25pC/ADCcount A : Amp gain = 63 e : electron charge = 1.6 x C d どの放射線量でも Gain の値は 10 5 以上あり、 GLD Calorimeter の要求 (10 5 ～ ) を満たす Pedestal peak 1 p.e peak 2 p.e peak 2016/7/22 120Gy をあてた Sample では この領域の Gain は求められ ない →ADC 分布 (Vbias=78.6)

Noise Rate 照射量によってノイズレート が増加する GLD Calorimeter の要求を満たす ΔV の領域は～ 3.5V ( ～ 1MHz) 120Gy ではノイズが 10MHz 以上 ある (0.5p.e. が見つけられない ) 60Gy 30Gy 放射線をあててない MPPC の Threshold Curve （現行システム） 0.5 p.e. Threshold 1.5 p.e. Threshold Noise Rate: 熱電子によっ て起こる 雪崩による signal 2016/7/22

Cross talk Probability ? Crosstalk 率も照射量によって 増加する 60Gy 30Gy 2016/7/22 Cross-talk : 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

今後の予定 Proton 、中性子線による照射実験（ 1600pixel MPPC ） ハドロン粒子照射での Bulk damage もみる GLD Calorimeter での各放射線量の見積もり まとめと今後の予定 Total dose 効果のみが見られた Sample(30Gy,60Gy) で NoiseRate は照射前より増加し、使える ΔV の領 域は 狭まる 120Gy をあてたサンプルではアニーリングをさせ て も Gain が算出できない領域がある ) 2016/7/22 まとめ

Back Up 2016/7/22

120Gy 照射 Sample 2016/7/22

Leakage Currnet ( サンプルの個体差 ) 2016/7/22

240Gy 照射サンプル 測定結 果 2016/7/22

Gain(ADC Distribution) 2016/7/22 Photon Counting が出来ない 測定一回目 バイアスをかけた直後 全 event 数 測定二回目 バイアスをかけた直 後 全 event 数 測定二回目 バイアスをかけてから 14 時間 全 event 数 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 C

Noise Rate(Threshould Curve) 2016/7/22 Threshould Curve Noise Rate: 熱電子によって起こ る 雪崩による signal 放射線をあててない MPPC の Threshold Curve （現行システム） 0.5 p.e. Threshold 1.5 p.e. Threshold 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 数十 KHz バイアス電圧をかけた直後からのプロッ ト

Noise Rate(Threshould Curve その ２ ) 2016/7/22 一度バイアス電圧を切ってから再度測定 この波高領域が 効いている 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

漏れ電流 (Leakage Current) 2016/7/22 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 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 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

温度モニター（ γ 線 照射中＠照射 室） 120 Gy (Sample#9) (2007 年 9 月 14 日 19 時 25 分開 始 ) 60 Gy (Sample#12) (2007 年 9 月 14 日 10 時 53 分開 始 ) 30 Gy (Sample#14) (2007 年 9 月 14 日 10 時 53 分開 始 ) 2016/7/22

ホールが捕獲されることで禁制帯の中に新しい エネルギー 東工大 松原さんのトラぺより 抜粋 2016/7/22

10krad/h*10h 照射後は photon counting 出来ていな い （累積放射線量 122.2krad ） 照射前 （累積放射線量 22.2krad ） SIPM 損傷試験： ADC 東工大