Multi-Pixel Photon Counter (MPPC)のR&D状況 - GLDCALでの使用に向けて- 2006 6/28 学術創成会議 魚住　聖　(筑波大学) Introduction R&Dの現状 まとめと今後の計画

The GLD Calorimeter Sampling calorimeter with Pb/W - scintillator sandwich structure with WLSF readout Particle Flow Algorithm (PFA) needs particle separation in the calorimeter Fine granularity with strip/tile scintillator Huge number of readout channels ~10M (ECAL) + 4M (HCAL) ! 10k for muon detector Used inside 3 Tesla solenoid What kind of photon sensor we　should use for readout? Obviously the PMT is not in the options.

The Multi-Pixel Photon Counter (MPPC) … is a novel type photon sensor operated in Geiger mode ~ 1 mm 400 pixels 20~100 mm ~ 8 mm Depletion region ~ 2 mm Substrate Si Resistor Vbias 1600 pixels Guard ring n- p+ n+ Al conductor p- substrate p+

Charge

MPPC performance GLDCALの読み出しにうってつけ！ それどころか、近い将来PMTに取って代わってしまうかも？ PMT Gain ~106 105~106 Photon counting Yes Great Bias voltage ~ 1000 V 30 ~ 70 V Photon Detection Efficiency 0.1 ~ 0.2 0.1~ 0.4 Size Small Compact B field Sensitive No influence Dynamic range Good Not so good Stability Unknown Noise Quiet Noisy (Order of MHz) Response fast Cost Not cheap Cheap ($1~10?) GLDCALの読み出しにうってつけ！ それどころか、近い将来PMTに取って代わってしまうかも？

Required performance for the GLDCAL Gain: ~ Best to have 106 , at least 105 Dynamic range: can measure ~1000 p.e. satisfactory to measure EM shower maximum need > 2500 pixels P.D.E. ~ 30 % to distinguish MIP signal Noise rate : ~ 1 MHz (0.5 p.e. threshold) good uniformity, small cross-talk Timing Resolution ~ 1 nsec Necessary for bunch ID, slow neutron separation Sensor area: 1.5 x 1.5 mm suitable for 1.5 mmf fiber Should be stable against bias voltage / temperature / time

R&D Status @ GLDCAL MPPCの性能はGLDCALにうってつけに見えるが、 解決すべき課題は多い。 まずは各種の基礎特性をきちんと理解し、どの点に　　おいて改良が必要なのか考えることが必要。 現在は浜松ホトニクスと連携して試作品テストをしている段階であり、試作サンプルを3個程度づつもらっている。 それらの基礎特性を評価し、浜ホトにfeedbackをかけてより性能の高い（我々のgoalに近い）サンプルに近づけていく。 昨年度から既に2-3回のiterationが繰り返され、現在は今年初めに供給された400 / 1600 pixelサンプルの性能を評価中

Gain vs Bias Voltage 400 pixel x 2 1600 pixel Green LED MPPC 400 pixel with x63 amp C … ピクセル容量 V0 … ガイガーモード開始電圧 400 pixel x2 は特性が非常に揃っている 1600 pixelはゲインが低い(1.5~3 x 105) 400 pixel x 2 1600 pixel C = 0.13 ± 0.01 pF V0= 67.60 ± 0.01 V C = 0.02 ± 0.01 pF V0= 67.40 ± 0.02 V

Noise Rate (1600 pixel) by 佐野（神戸） thr=minimum thr=0.5pe thr=1.5pe Thresholdをminimum(25mV),0.5p.e.,1.5p.e.相当に設定して測定 thr=minimum thr=0.5pe thr=1.5pe 2 MHz ● -20℃ ● -10℃ ● 0℃ ● 10℃ ● 20℃ 1 MHz by 佐野（神戸）

Laser System @ KEK ~２５m YAG Laser ( = 532 m) Pulse width ~ 2 nsec Spot size ~ 1 m Moving stageの位置決め精度 ~ 0.02mm 非常に絞られたレーザーによりpixel内の 一点づつを狙い撃ちして応答の違いを測定 できる。 ~２５m レーザースポット （減光前） MPPC

Pixel内scan – 検出効率 Preliminary Result One pixel 有感領域の割合は20％程度 > 0.5 p.e.のイベント数 全てのイベント数 Preliminary Result One pixel 有感領域の割合は20％程度 有感領域内でのefficiencyのばらつきは6.6-13.4%程度

Pixel内scan – Gain Preliminary Result 有感領域内のみの結果 中央から端に向けてわずかにGainが下がる

Summary & Plans MPPCは非常に大きな可能性を秘めたデバイス GLDCALでの使用に向け、浜ホトや測定器開発室と連携して　　　　　　基礎的な性能の評価 / 改善が進んでいる。 しかし、現在の / これからのサンプルに対して、理解すべき事は　　　　　　まだまだ大量にある。 Gain, ノイズレート、P.D.E., Linearity及びそれらの温度依存性 耐久性、長期安定性、磁場耐性 時間分解能 デバイスごとの性能のばらつき Full simulationを用いて、MPPCへの要求性能をきちんと　　　　　studyする事も必要。 EMCALのビームテストでの使用に向けた準備も必要。 (Next talk by 伊藤さん)