Performance of 1600-pixel MPPC for the GLD calorimeter readout 2006年12月7日（木) 光検出器ワークショップ @ 浜松名鉄ホテル 前田高志 （筑波大学) for the GLD Calorimeter Group --- Contents --- Introduction Basic performance Uniformity within a sensor Summary and plans

GLD (Global Large Detector) Calorimeter カロリメータ内での 粒子の識別が要求される 微細な分割が必要 膨大なチャンネル数 ~10 Mchannel 強磁場中で使用 Electro-magnetic Calorimeter tungsten plate 1 cm x 4.5cm x 3 mm particles PMTに代わる新しい 光検出器としてMPPC readout by MPPC

Requirements for the GLD Calorimeter Gain ~ 少なくとも105 Dynamic range ~ 1000 p.e.(>2500 pixels) 光子検出効率 ~ 30 % Noise rate < 1MHz (threshold=0.5 p.e.) センサー内 / センサー毎の性能のばらつきが少ないこと ピクセル間のCross-talkが少ないこと バイアス電圧、温度の変化に対する安定性 長期安定性

The Multi-Pixel Photon Counter (MPPC) …新しいタイプの半導体光検出器 Gain が高い 光子検出効率が良い コンパクト ~ 数 mm Cost performanceが良い 磁場耐性 Dark noise 応答が非線形 ~ 1 mm 25~100 mm Depletion region Substrate Si Resistor 1600-pixel MPPC Guard ring n- Bias voltage (70~80 V) n+ p+ Al conductor p- substrate p+

MPPC R&D for the GLD calorimeter これらの要求を実現するため 浜松ホトニクスと協力してMPPCの研究開発 MPPCの性能、特性を評価 必要な性能改善の要求 浜松ホトニクスへのフィードバック それをもとにMPPCの改良

1600-pixel MPPC 2006年1月のsample 2006年10月のsample ２０個 4 mm 1.3 mm 1 x 1 mm 2006年1月のsample 2006年10月のsample ２０個

Pulse Shape 1 p.e. 2 p.e.

Measurement of Basic Characteristics 最新の1600-pixel MPPCについて特性評価 Gain, Noise rate, Cross-talk バイアス電圧、温度依存性 　　Set up Green LED MPPC 恒温槽

Gain result 25 oC で測定 S : ADCの分解能 A : Amp gain = 63 e : 素電荷 Pedestal peak 1 p.e. peak 2 p.e. peak … 25 oC で測定 d S : ADCの分解能 = 0.25 pC/ADCcount A : Amp gain = 63 e : 素電荷 = 1.6 x10-19 C C : pixel容量 V0: Breakdown voltage

V0 / C Variation Sample毎のばらつきは小さい C : pixel容量 V0: Breakdown voltage Mean : 75.55 V Variation : 0.22 V Mean : 23.82 fF Variation ~ 3.1 % Sample毎のばらつきは小さい C : pixel容量 V0: Breakdown voltage

Gain の温度依存性 V0 は温度に対して線形 DV = VBias – V0(T) が温度によって変化する C : pixel容量 30oC 25oC 20oC 15oC 10oC 0oC -20oC DV0/DT = (56.0 ± 0.10) mV/oC V0 は温度に対して線形 DV = VBias – V0(T) が温度によって変化する C : pixel容量 V0: Breakdown voltage

Noise rate / Cross-talk Variation 25 oC で測定 Threshold 0.5 p.e. Threshold 1.5 p.e.

Noise rate / Cross-talkの温度依存性 30 oC 25 oC 20 oC 15 oC 10 oC 0 oC -20 oC Threshold 0.5 p.e. 温度、DVが低いほど低Noise rate Cross-talkは温度に依存しない

Measurement of uniformity in the sensor 1 pixel レーザーシステムを用いて ピクセル内のスキャン ピクセル毎のスキャン 以下の量のばらつきを評価 Gain Hit fraction 1 pixel

レーザーシステム @ KEK 測定器開発室 YAG Laser,  = 532 nm (green) Pulse width ~ 2 nsec Pulse rate ~ 8 kHz Spot size ~ 1 m 光量 ~ 0.5 p.e. (not calibrated) 1600 pixel MPPC

Microscopic picture of a pixel New sample Plastic packageで 乱反射の影響か focusが合わず Old sample Laser spot ~25 m

Hit fraction vs. Bias Voltage Pixelの中央にレーザー照射 @ 室温 Pedestal 1 pix. fired Hit fraction 2 pix. fired (cross-talk) Hit fractionはバイアス電圧に依存 Vbias > 70 V で一定になる

Uniformity within a Pixel - Hit fraction Vbias = 70.0 V Bias voltage -71.0V -70.0V -69.5V -69.0V Hit fraction 1 pixel 有感領域の割合 ~20 % 有感領域内のばらつき ~ 9.2 % (RMS) バイアス電圧によって、有感領域の形は変化しない

Uniformity within a Pixel - Gain Vbias = 70.0 V x105 Edge of the sensor y-point (1 mm pitch) x-point (1 mm pitch) ピクセルの中央は高いgain 有感領域内でのばらつき ~ 2.7 % (RMS)

Pixel-by-pixel uniformity - Hit fraction edge of the sensor ばらつき ~ 3.2 % 20 x 20 pixels 0.55 Sensor 0.44

Pixel-by-pixel uniformity - Gain edge of the sensor 端のピクセルが 高いGain 模様が見えた ばらつき ~ 2.4 % 3.8 (x105) 3.2(x105)

GLDカロリメータの読み出しに1600-pixel MPPCを使用するために、その特性の評価を行っている Summary GLDカロリメータの読み出しに1600-pixel MPPCを使用するために、その特性の評価を行っている Gain, Noise rateは要求を満たしている センサー内 / センサー毎の性能のばらつきは小さい Breakdown voltage が温度によって大きく変化する 温度管理やモニターが必要 さらなるDynamic rangeの改善, 有感領域の拡大が必要 Plans 光子検出効率の測定(現在進行中) 応答曲線(入射光量 vs. 出力光量) New sample でのレーザー測定

Back up…

Old sample results - Gain 30oC 25oC 20oC 15oC 10oC 0oC -20oC V0=aT+b a = (5.67 ± 0.03) x10-2 V/oC b = 66.2 ± 0.1 V

Old sample results – Noise rate Vbias – V0(T) [V] 30oC 25oC 20oC 15oC 10oC 0oC -20oC

Hit fraction vs. Bias Voltage ピクセルの中央にレーザー照射 @ 室温 Pedestal peak 1 pix. fired peak 2 pix. fired peak バイアス電圧に依存 DV > 3 V で一定になる

Laser scan Hit fraction Gain (x 105) 他のパッケージでスキャンを考えている

Response / Correction curves ( with small cross-talk ) R (p;Npe) R-1(p;Nfired) p=0.1 p=0.1 p=0 (no cross-talk) Response curve Correction curve