GLD Calorimeter に用いられる 新型半導体光検出器 MPPC の性能評価 2007 年 9 月 18 日 宇宙史コースセミナー素粒子実験研究室 山崎 秀樹

2 国際リニアコライダー (International Linear Collider) 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 ３０ km 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

GLD(Global Large Detector) Calorimeter 3 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

4 GLD Ｃａｌｏｒｉｍｅｔｅｒ for ILC GLD Ｃａｌｏｒｉｍｅｔｅｒ for ILC 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) readou ジェット再構成法 PFA (Particle Flow Algorithm) による、粒子の正確な分離 細分化した Strip Scintillator 膨大の数の Channel 数 →( ～ 10MChannel) 強磁場の環境での使用 ( ～ 3T) Electro-Magnetic Calorimeter 10mm×40mm×2mm PMT に代わる光検出器とし て MPPC が採用される予定 PMT では困難 readout

5 MPPC (Multi Pixel Photon Counter) 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 1.3 mm 3 mm １ mm 1mm 真正面からの図真横からの図 センサー面 拡大 MPPC PMT Cost performance が良い Gain が高い (~ １０ 5 ) 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

6 MPPC の動作原理 MPPC の動作原理 Al -conductor Guard ring 光子 ~ 1 mm 25~100  m 光子光子 APD （ Avalanche Photo Diode ）が 1pixel を構成している MPPC 駆動回路 LED MPPC 1pixel の断面構造 雪崩増幅

7 MPPC Pulse Shape 1 p.e. 2 p.e. Pedestal peak 1 p.e peak 2 p.e peak 1 p.e. の分解能が良 い

MPPC の基本特性 Gain: アバランシェ増幅による信号の増幅率 Noise Rate: 熱電子によって起こる雪崩による signal Closs 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 Response Curve: 入射光量に対する応答曲線 P.D.E( Photon Detection Efficiency ): 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

9 Requirement for GLD Calorimeter Requirement for GLD Calorimeter Gain→ 少なくとも 10 5 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 光子検出効率 →30% 放射線耐性 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

10 Noise Rate Set up Gain Set up

11 Gain Gain Q :Charge A : Amp gain = 63 e : electron charge = 1.6 x C Gain の算出式 d Gain の理論式 C : Pixel Capacitance V 0 : Breakdown voltage 30 o C 25 o C 20 o C 15 o C 10 o C 0 o C -20 o C Gain はバイアス電圧に対して線形 に増幅し、その値は 10 5 以上あり、 GLD Calorimeter の要求を満た している

12 Noise Rate Noise Rate 0.5 p.e. Threshold 1.5 p.e. Threshold 30 o C 25 o C 20 o C 15 o C 10 o C 0 o C -20 o C Noise Rate: 熱電子によって起こ る 雪崩による signal 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

13 Cross-talk Probability 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 cross-talk 率は温度に依存しな い

14 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 Set Up PMT,MPPC に対して、同じ光量を当てるシステムが必 要 MPPC 0.5 mm  Pin-hole PMT LED WLSF

15 P.D.E. Result P.D.E. Result Gain = 3×10 5 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 S U ILC ΔV ( = V bias – V 0 ) [ V ] PDE [ % ]

GLD Calorimeter では MPPC は放射線環境 下での使用が見込まれ、 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

γ 線照射実験＠東工大 γ 線照射実験＠東工大 放射線源 : ~15TBq 60Co Source γ-ray energy : 1.173MeV, 1.332MeV Dose rate : distance dependence (few % error) 60 Cm MPP C 60Co Source 照射サンプル ILC M sample#9.#12,#14 累積放射線量 sample#9 1krad/h 12 時間照射 → 12krad(120Gy) sample#12 1krad/h 6 時間照射 → 6krad(60Gy) sample#14 1krad/h 3 時間照射 → 3krad(30Gy)

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

測定項目 ( 照射後 ) 2016/7/2219 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 20 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

MPPC Pulse Shape (Radiation ) 120 照射サンプル 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)

Leakage Current ( 照射後 ) 放射量によって漏れ電流が増加 120Gy をあてたサンプルでは高波高ノイズが発生 し、大きく漏れ電流が変化 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

Gain 放射線量によって Gain の直線グラフは 下方にシフトしている 120Gy Sample#9 60Gy Sample#12 30Gy Sample#14 Sample# (pF) V (V) (pF) V (V) Sample# (pF) V (V) (pF) V (V) Sample# (pF) V (V) (pF) V (V) Capacitance V0V0 V0V0 照射前照射後

Noise Rate 24 照射量によってノイズレートは増加する 60Gy 30Gy 60Gy 30Gy

Cross talk Probability ? Crosstalk 率も照射量によって増加する 60Gy 30Gy

まとめと今後の予定 今回の測定では Total dose 効果のみならば Photon Counting はできることが分かった (Noise Rate は ) 高い電圧をかけると高波高ノイズが消えるようにみえる！？ → 高い電圧かけ続け、アニーリングが進むか確かめる必要が ある Total dose 効果では熱によるアニーリングは進むのか！？ → γ 線では Bulk 損傷はない ) 120Gy をあてたサンプルの赤外線発光観察をする → 電圧をかけながら、 Gain,NoiseRate の測定 Proton 、中性子線による照射実験（ 1600pixel MPPC ） GLD Calorimeter における各放射線量の見積もり

Back Up 2016/7/2227

120Gy 照射 Sample

2016/7/2229

2016/7/2230

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 )

Leakage Currnet ( サンプルの個体差 )

240Gy 照射サンプル 測定結 果

Gain(ADC Distribution) 2016/7/2234 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) 2016/7/2235 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 ) 2016/7/2236 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 37 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

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/ krad/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