Aerogel RICHカウンターに向けた Geiger mode APD の基本性能評価 名古屋大学高エネルギー物理学研究室 修士課程１年 山岡美緒　　　　 目次 イントロダクション 測定結果（Ｇａｉｎ　Ｎｏｉｓｅ ｒａｔｅ 　　時間分解能　光子検出効率） まとめと今後

Aerogel RICHの光検出器 Geiger mode APD 新型粒子識別装置として導入予定 Ｐ＝4GeV/c π/Ｋ粒子の識別が可能 現在のＢｅｌｌｅ　ｄｅｔｅｃｔｏｒ Aerogel Ring Imaging Cherenkov counter Belle　ｄｅｔｅｃｔｏｒのendcap部分の 新型粒子識別装置として導入予定　Ｐ＝4GeV/c 　π/Ｋ粒子の識別が可能 e-(8.0GeV/c) Ｂ＝1.5Ｔ e+(3.5GeV/c) 輻射体であるAerogelで粒子通過時チェレンコフ光を発生させる チェレンコフ光の開き角を測定することにより識別を行う ＡｅｒｏｇｅｌＲＩＣＨの光検出器の候補 Geiger mode APD

光検出器に求められる性能 Geiger mode APD 光検出器に求められる性能 磁場中（1.5T）で使用可能 １光子が検出可能 利点　 磁場中でも使用可能　　　　 Ｇａｉｎ高い　　　　　　　　　　 光子検出効率が高い　　　 　　　長波長側も感度がある　　　 エネルギー分解能が良い 時間分解能が良い　　 動作電圧が低い　　　 光検出器に求められる性能 磁場中（1.5T）で使用可能 １光子が検出可能 高い光子検出効率をもつ ５mm角の位置分解能 RICHでの Geiger mode APDの欠点 受光面が小さい 熱電子ノイズが多い ライトガイドの使用 入り口は５ｍｍ角 Geiger mode APD Ｔｉｍｅ　ｗｉｎｄｏｗできってノイズをカット

ＲＩＣＨに向けた測定 Noise rate は1MHz程度が限界 Ｇａｉｎのバイアススキャン Noise rateのバイアススキャン 　Ｇａｉｎのバイアススキャン 　Noise rateのバイアススキャン noise rateが1MHzでのバイアスで１光子検出が可能か 　② Noise rateの温度スキャン 　③ 時間分解能 Ｔｉｍｅ　ｗｉｎｄｏｗカットをかけるので時間分解能の確認 ＴＯＦの情報を使えれば性能の向上 　④ 光子検出効率の波長依存性を測定 ⑤　ライトガイドのシミュレーション Noise rate は1MHz程度が限界 Ｔｉｍｅ ｗｉｎｄｏｗを１０ｎｓとした場合１００個につき１個のデバイスがノイズによる信号 PMTでは１０個程度の信号でリングを作る ① 受光面５ｍｍ角のGeiger mode APD が並んでいる 青リング　チェレンコフリング 赤 チェレンコフ光による信号 緑 ノイズによる信号

測定したＳａｍｐｌｅ 受光面拡大 Ｓａｍｐｌｅ ２つのGeiger mode APDについて測定を行った 製造元 ＣＰＴＡ社 （ロシア） 浜松ホトニクス社 Name MRS-APD MPPC-100 受光面 1.1mm2 八角形 1mm2 正方形 ピクセル数 556　 100 型番 1710-043 21-53-1A-13 受光面拡大 Ｓａｍｐｌｅ

セットアップ TDC discri clock ADC div discri funout AMP Vsource Geiger mode APD ADC div discri funout レーザー　　　 AMP Geiger mode APD ＮＤフィルター　　　 Black box　　　 Vsource Ｓａｍｐｌｅ clock ・・・1kHz ＡＭＰ・・・HPK speed amp (C5594) (36dB) laser ・・・ λ=636nm TDC ・・・ resolution 25ps ADC ・・・ resolution 0.25pc 0.5ｐｅでＴｈｒｅｓｈｏｌｄ レーザー ＮＤフィルター

① Gain 測定 Vbias=71.5V, 23℃, noise~1.0MHz MPPC MRS-APD 1peσ=2.0 1peσ=3.6 2pe 2pe pedestal Gain 1.8×106 S/N 12.4 Gain 6.6×105 S/N 7.7 Ｇａｍｐ＝ＡＭＰのＧａｉｎ エネルギー分解能が非常によい 　　　　　Ｇａｉｎも高い １光子検出可能

① ＭＰＰＣのNoise rateとＧａｉｎのバイアススキャン Gain=c×(Vbias-Vbreak )/e 　　 Ｇａｉｎ MPPC MPPC Vbreak ＝-70.3(V) Ｃ＝251 (fF) Noise rate1MHzのバイアス-71.5V Gain＝ 1.8×106 Over voltage (Vbias-Vbreak )=-1.2V

① MRS-APDのNoise rateとＧａｉｎのバイアススキャン Gain=c×(Vbias-Vbreak )/e 　　 Ｇａｉｎ MRS-APD MRS-APD Vbreak ＝-45.5(V) Ｃ＝26.2 (fF) Noise rate1MHzでのバイアス-48.7V　　 Gain＝5.25×105 Over voltage (Vbias-Vbreak )=-3.2V Noise rate1MHzでは１光子検出可能なＧａｉｎとエネルギー分解能 必要ならばバイアス電圧下げることも可能

Over voltage (Vbias-Vbreak )を一定にしてnoise rateを測定 恒温槽 Ｖｓｏｕｒｃｅ Ｃｌｏｃｋ Geiger node APD 温度計 ＡＭＰ Ｄｉｓｃｒｉ Ｓｃａｌｅｒ ＰＣ Vbreakが温度依存 Over voltage (Vbias-Vbreak )を一定にしてnoise rateを測定

②Noise rate の温度依存性2 ０℃では室温の20～30％になった ＭＲＳ－ＡＰＤ ＭＰＰＣ MRS-APD MPPC （deg.） Geiger mode APDが並んでいる 青リング　チェレンコフリング 赤　チェレンコフ光による信号 緑　ノイズによる信号 （deg.） ０℃では室温の20～30％になった ＭＲＳ－ＡＰＤ ＭＰＰＣ ～300ｋＨｚ@ 0℃ ～200ｋＨｚ　 @ 0℃

③MPPCの時間分解能 Ｔｉｍｅ ｗｉｎｄｏｗをかけるのに十分な時間分解能 636nm 410nm Gain測定と同じセットアップ 波長の異なる２つのレーザーを照射した 636nm 410nm Sample ＭＰＰＣ Bias -71.5V Threshold 0.5pe Only Single photon data σ～103ｐｓ σ～110ｐｓ 形もほぼ同じでありσも十分小さい Ｔｉｍｅ　ｗｉｎｄｏｗをかけるのに十分な時間分解能

③ＭＲＳ－ＡＰＤの時間分解能 636nm 410nm σ～70ｐｓ σ～140ｐｓ 長いTail ~4ns Tail ~0.5ns Sample MRS-APD Bias -49.5V Only Single photon data σ～70ｐｓ 長いTail　~4ns σ～140ｐｓ Tail ~0.5ns Ｔｉｍｅ　ｗｉｎｄｏｗをかけるのに十分な時間分解能をもつ ＴＤＣ分布のshapeが違っている　→時間分解能の波長依存性がある？

時間分解能の波長依存性の原因 n+ p+ p- g Geiger regionで電子ホール対を作る This is plot of SiPM, not MRS-APD reference: ICFA Instrum.Bull.23:28-41,2001 Geiger regionで電子ホール対を作る すぐにGeiger放電が起こる→早いＴｉｍｉｎｇ Drift regionで電子ホール対を作る 　　Geiger regionまでドリフト　→遅いＴｉｍｉｎｇ Red laser　　σ～70ps 　Tail　～4ns Geiger region　 Drift region両方で吸収 Blue laser　　σ～140ps 　 Tail ～0.5ns ほぼDrift regionのみで吸収 l (nm) 吸収長(mm) 410 0.16 636 3.65 n+ p+ p- h e- g ＭＲＳ－ＡＰＤとＭＰＰＣの違い 　→内部構造の違い？

④ＱＥ×εgeom測定のセットアップ 今回はバイアス電圧をかけずに測定した モノクロメーター 340nm<l<900nm フィルター  高次光をカット レンズ  光をGeiger mode APD の受光面サイズに絞る ＱＥのわかっているPDをreferenceとする ＰＤとGeiger mode APDの電流値を比較し 絶対ＱＥを測定 QE 　=電子ホール対ができる確率 ＝有感領域の割合 ＝ガイガー放電が起こる確率 今回はバイアス電圧をかけずに測定した Black box MPPC

④ＱＥ×εgeom測定結果 MRS-APD Max 45% @600nm 11% @900nm MPPC Max 51% @600nm バイアルカリ MRS-APD Max 45% @600nm 　　　11% @900nm MPPC Max 51% @600nm 21% @900nm 長波長側の感度はＰＭＴなどと比べて高い ＰＤＥバイアス電圧によっては変化する？ εGeigerはλ依存性があるのではないか？ バイアスをかけたPDE測定 をする必要がある

⑤ライトガイドのシミュレーション ライトガイドの使用 受光面が１mm角では使えない 受光面が2mm角以上の大きさのデバイスが必要 π 　Ｐ＝4GeV/c　　 n=1.046 Aerogel通過時 チェレンコフ光放出角 ライトガイドの使用 入り口は５ｍｍ角 Geiger mode APD 光が0.3ｒａｄで ライトガイドに入射 受光面1mm角の場合 入り口は５ｍｍ角 受光面2mm角の場合 入り口は５ｍｍ角 長さ12ｍｍ 長さ12ｍｍ ＣＥ～95％ ＣＥ～37％ 受光面が１mm角では使えない 受光面が2mm角以上の大きさのデバイスが必要

測定結果のまとめ Geiger mode APDでＧａｉｎ、ノイズレート、時間分解能、ＱＥ×εgeomを測定した MRS-APD(ＣＰＴＡ製) MPPC(浜松ホトニクス社) Gain @～noise rate1MHz 5.25×105 (Vbias-Vbreak ) = -3.2Ｖ 1.8×106 (Vbias-Vbreak ) = -1.2Ｖ Noise rate バイアス電圧の変化率 　600kHz/V 950kHz/V 温度依存性（ @ 0℃） 室温の～30％のNoise rate ～300ｋＨｚ 室温の～20％のNoise rate ～200ｋＨｚ 時間分解能 410nm σ～142ps 636nm σ～70ps　tail有り 波長依存性見えず σ～100ｐｓ ＱＥ×εgeom Max 45±2%　@600nm 　　　11±1%　@900nm Max 51±0.5%　@600nm 21±0.5%　@900nm

まとめ 今後 バイアス電圧をかけてＰＤＥ測定 ライトガイドの研究開発 ① Noise rate1MHz のバイアス電圧で1光子が検出可能なＧａｉｎとエネルギー分解能をもつ ②　０℃まで温度を下げるとNoise rateは室温の20～3０％程度にまで減る ③　時間分解能<<Ｔｉｍｅ　ｗｉｎｄｏｗ ④　長波長側にも高い光子検出感度が期待できる ⑤　ライトガイドの使用には２ｍｍ角以上の受光面があればCEは95％ 今後 バイアス電圧をかけてＰＤＥ測定 ライトガイドの研究開発

Ｂａｃｋ　ｕｐ

ノイズレートの見積もり 半径6.2ｃｍのリング １０万個デバイスが並ぶ noiserate１ＭＨｚ　 Ｇａｔｅ10ｎｓ 0.01回/gate

波形 1ns 10mV amp x65 1pe

レーザー自体の発光のジッターの検証 MCP-PMT(BURLE製)を用いてレーザー自体のジッターを調べた。 410nm 636nm レーザーによる違いは見られなかった ＭＲＳ－ＡＰＤのデバイス自体に波長依存性がある？

Over voitageの決定方法 Over voltageの決定方法 ＰｕｌｓｅＨｅｉｇｈｔのバイアススキャンを行う 横軸との交点をVbreakとした

恒温槽 メーカー　ＥＳＰＥＣ 型番 ＰＵ－３ＫＴ（プラチナスＫシリーズ）

セットアップの確からしさ すでにＱＥが測定されているＰＭＴについて今回のセットアップで絶対ＱＥを測定 短波長側はＱＥが電流値が非常に揺らいでいた為エラーが大きくなっている

検出光子数の見積もり ＲＩＣＨで使用する際の検出光子数の見積もり MRS-APD Max QE(×egeom): 45±2% @600nm 光検出器がＰＭＴの場合の1.8倍の 光子数が見込まれる

ＰＤＥ測定 バイアス電圧をかけて測定を行う MPPC Pin hole V