MEG II実験液体キセノン検出器のための 大型MPPCの性能試験1

MEG実験: μ+  e+γ search e+ γ μ+ SMを超える物理の探索 γ BSMの予言: BR(μeγ) =10-12 ~10-14 現在の上限値: 5.7×10-13 (90% CL) (MEG実験, 2009~2011年のデータ) μ+ 信号とBG 信号: μeγ 　　　　Back to back, Ee=Eγ=52.8MeV γ e+ 𝜇 𝑒 eγの位置、エネルギー、時間で区別 μ+ e+ BG: - Radiative Muon Decay (RMD) μeννγ - Accidental BG 　　 e (μeνν) +γ (e+対消滅 or RMD) 新物理の寄与 (ex. SUSY) MEGMEG II にアップグレードし、5×10-14の感度を目指す。

MEG II ～ Upgrade of MEG ～ γ μ+ e+ γ: 液体Xe検出器 本発表 e+: Drift chamber + Timing counter ビーム強度＞2倍 γ 検出器の性能向上 位置、エネルギー、 時間の分解能2倍 検出効率2倍 μ+ BGの更なる削減 e+ RMD BG検出器 2016年より物理ラン開始予定!

液体Xe検出器のアップグレード 変更①: 内壁のPMTをMPPCに交換 光子検出効率の 一様性を改善 光子検出効率の 一様性を改善 2inch PMT 216個 12x12mm2 MPPC ~4000個 変更②: PMTのレイアウトを変更 γ Energy leak減少 　均一なレスポンス 1m 世界最大の液体Xe検出器(900𝑙) 846個のPMT wider

γ エネルギー分布 (depth<2cm) 期待される分解能の向上 PMT MPPC+PMT イメージング能力が格段に向上！ γ エネルギー分布 (depth<2cm) γ 位置分解能 MEG II log scale MEG II MEG I MEG I 位置分解能: 52.6mm (depth<2cm) 52.2mm (depth>2cm) エネルギー分解能: 2.41.1% (depth<2cm) 1.71.0% (depth>2cm) 更に、MPPCは物質量が小さいので、γ検出効率も増加。 6369%

液体Xe用 MPPCの開発 要求される性能 Xeの真空紫外光(VUV)に有感 大型(12×12 mm2) Hamamatsu S10943-3186(X) 要求される性能 - 50μm pitch pixel Xeの真空紫外光(VUV)に有感 大型(12×12 mm2) 速い応答(fall time<50ns) - 4つの独立したchip - metal quench resister (抵抗の温度変化が小さい) これまでの開発 2.5mm 保護膜を除去、VUV光を通すクォーツ窓で保護。反射防止膜を変更。  VUV光に対し>15%のPDEを達成 大型化capacitanceの増大時定数が増加してしまう  4分割したチップを基板上で直列接続 　  Fall time<50nsを達成 液体Xe検出器に必要な性能を持つMPPCが完成！

次のステップ Prototype検出器による試験 約600個のMPPCが納入された。 　　　実装前に室温(20℃)・低温(液体Xe中)で動作試験する。 実機の開発(今後) 　　 約4000個のMPPCを大量試験 室温試験 Prototype検出器 (~100𝑙 Xe) - 全数動作試験と基礎特性の確認 本講演 - 3mm角crosstalk抑制サンプルの 性能確認 低温試験 液体Xe中での動作試験(少数サンプル) VUV光でPDE, 波形(fall time)の測定 小川 MPPC×576個 (1面) PMT×180個 (5面) 手法の確立

室温における大量試験 試験の目的: 新しいMPPCの全数動作試験 実機用MPPC大量測定の手法確立 ~6mm 本番の検出器では更にcrosstalk抑制の仕様が 追加される予定(開発中)。 TypeA TypeB TypeC Chip間のギャップとchipの大きさが 若干異なる３種類を用意。 600個×4chips = 計2400 chips の各々について ① Gain, ② breakdown voltage (Vbd), ③ noise rate, ④ crosstalk + afterpulse 確率 (CTAP) を測定。基礎特性に問題が無いことを確認した。

大量試験セットアップ 読み出し基盤(PCB) 恒温槽 LED 16MPPC (=64 chips) T = 20℃ LED trigger リレースイッチ LED 16MPPC (=64 chips) 3段のリレースイッチによって 読み出しchipを切り替え可能。 8 読み出しch.×23 リレー設定 = 64chip T = 20℃ LED trigger Vhama - 1.2V ~ Vhama+ 0.6Vの １０点の電圧で測定 Vhama: 浜松推奨電圧 　　　　　　(Vover~2.5V@20℃) 約２週間で全2400chipを測定。

測定データの例と、問題点 全chipについて、測定不能なchipが無いことを確認した。 解析ではgainなどの特性をpulse height分布やcharge分布から算出。 1p.e. 波形の例 Pulse height分布の例 1p.e. ~5mV @V=Vhama 2p.e. ・・・ gain ≡ 1p.e.と2p.e.の 　波高の差と定義 ~200ns 問題点 本測定で用いたPCBは、リレースイッチのon/offに依存して gainが変化してしまうことが測定後に発覚した。(V=Vhamaのとき0~10%程度) 本発表の測定結果には、その影響は補正されていない。

Breakdown voltage (Vbd) Vbdは gain vs. Vbias のグラフを内挿することで算出した。 Vhama と Vbd Gain vs. Vbias の例 Vhama 波の構造は、ウエハーの切り出し方に由来。 Vbd: Gain=0まで外挿 　　　したときのVの値 Vbd 一部のchipではノイズが大きく 測定のエラーが大きい。 Vbdの値はT=20℃のとき約64V。 全2400個中19個のchipではdark noiseが多く1p.e.ピークの分別が できなかった。しかし、液体Xeの低温(165K)ではdark noise rateが 5桁小さくなるので問題無いと考えられる。

Noise rate @ Vover=3.0V (全chip) Noise rateの測定にはLED offの波形データを用いた。 2.5mV以上の信号を、dark noiseとしてカウントした。 Noise rate @ Vover=3.0V (全chip) ※浜松におけるアセンブリの手違いにより、 noiseの多いchipが混入している。 (実機では無くなる) 100kHz/1mm2 Noise rateは室温で1~3MHz程度。一部4~10MHzのchipがいるが、液体Xe中では5桁減るので問題は無いと考えられる。

Crosstalk + Afterpulse確率 (CTAP) 測定される1p.e.信号数 = 期待1p.e.数(Poisson統計)からCTAP分減ったもの。 CTAP = 1 – (観測された1p.e.の数) / (Poissonで予想される1p.e.の数) Charge分布の例 CTAP vs. Vover (全データ点) CTAP 1p.e. 0p.e. 2p.e. 3p.e. Vover=3.0VでCTAP~50%。Voverが大きいとCTAPが非常に大きくなり、 MPPC信号の測定が難しくなる。

Crosstalk抑制サンプルの性能確認 3×3mm2のcrosstalk抑制サンプル2つを入手し、crosstalkの測定を行った。 (pixel size: 50μm) by H. Nagashima Crosstalk抑制機構 Crosstalk確率 vs. Vover photon crosstalk 通常サンプル(3mm角, 50μm pixel) Crosstalk suppressed A Crosstalk suppressed B pixel間の溝でcrosstalk抑制 Crosstalk確率は通常サンプルと比べて大幅に減少している。 高いover voltageでの運用が可能。 液体Xe検出器には12mmのMPPCにcrosstalk抑制の仕様が追加される予定。

まとめ 大型でVUV光に有感なMPPCが開発し、prototype液体Xe検出器用の約600個のMPPCの動作試験を行った。 室温での全数試験の結果、使用不能なchipは無かった。 実機用4000個のMPPCを大量試験する手法を確立した。 一部のchipはdark noise rateが非常に高かったが、液体Xe中ではrateが5桁落ちるので問題は無いと考えられる。 Crosstalk+Afterpulse確率はVover=3.0Vで約50%であった。 これはMEG IIで問題となる大きさではないが、crosstalk抑制サンプルでは更に約15%に削減されている。 4000個の試験の手法を確立した 同一MPPCでのチップ間のVbd 全部のパラメータの分布

Backup slides

1p.e. pulse height @ Vover=3.0V 全データ histogram 1p.e. charge @ Vover=3.0V 1p.e. pulse height @ Vover=3.0V Breakdown voltage Noise rate @ Vover=3.0V CTAP @ Vover=3.0V

1p.e. pulse height @ Vover=3.0V 全データ (vs. chip ID) 1p.e. charge @ Vover=3.0V 1p.e. pulse height @ Vover=3.0V Noise rate @ Vover=3.0V CTAP @ Vover=3.0V

MPPCごとのchip間Vbdばらつき ChipごとのVbd – そのMPPCの平均Vbd ※Relayの問題がなければ 　 ばらつきはもっと小さいはず。