大光量Long Pulseに対するMPPCの性能評価 2015/07/07 栁田 沙緒里
β線の飛跡に沿って電離した電子を電場でELCCまでひっぱり、エネルギーを測定 AXEL実験 ０νββ探索のための高圧XeガスTPCを製作中 なだれ増幅 指数関数的に増幅 ->揺らぎが大きい Electroluminescence β線の飛跡に沿って電離した電子を電場でELCCまでひっぱり、エネルギーを測定 比例的に増幅 ->揺らぎが小さい
EL光の典型的な信号 ･cellの中で高電場をかけることで Electroluminescenceをおこす 検出器全体で一様にする ・電極間でEL光を発生する典型的 な時間→5μs 5μs
MPPC 入射photon数は総pixel数に近づくほど 出力信号は飽和する 受光面サイズが3mm角だと ～10^3photonまで線形 3mm角MPPC素子 pitch数 pixel数 回復時間（1mm角） 25μ 14000 20ns 50μ 3600 50ns 100μ 900 100-200ns 受光面サイズ3×3mm http://www.hamamatsu.com/resources/pdf/ssd/03_handbook.pdf より https://www.hamamatsu.com/resources/pdf/ssd/03_handbook.pdfより
MPPCの問題点 1つのMPPCに最大で、5μsの間に5×104photon 瞬間最大光量は1000/50ns 3mm角素子のpixel数 pitch (mm) #pixel 回復時間（1mm角） 10 90000 ₋ 25 14000 20ns 50 3600 50ns シミュレーション 回復時間より長い時間の間に大光量が入る場合、 MPPCのlinearityはどうなっているか
Set Up PMT MPPCC MPPC 15cm LED バイアス電圧用ローパスフィルタ PMT LED
読み出し 25μm pitch ch1 FADC MPPC Amp LED ch2 PMT Amp Pulse generatoe gate Divider Amp LED ch2 PMT Amp Pulse generatoe gate
信号波形 波形比較 PMTとMPPCの信号比 信号波形を足しあげ、 波形の積分値を規格化 時間[s] 黒 MPPC 赤 PMT 5μs PMT ～120mV MPPC 波形比較 時間[s] MPPC/PMT ～700mV LED 時間[s] PMTとMPPCの信号比 信号波形を足しあげ、 波形の積分値を規格化 LEDにpulse generatorでつくった矩形波の電圧制御のため 光センサーで見たときに完全な矩形波になっていない 9
Ampのリニアリティ Pulse generatoe Amp後の波形信号積分値 Amp出力2V Divider×2 Amp gate ch1 FADC Amp前の波形信号積分値 Ampは2Vまで線形を保っている
MPPCの線形性 これが正しいとするならば、全然リニアリティが足りていない 50μ pitch 25μ pitch 目標 4×104までは linearityありそう 5×104までは linearityありそう y=2.044 x y=2.675x PMTの信号の積分値 PMTの信号の積分値 これが正しいとするならば、全然リニアリティが足りていない
回復時間 y = 1/｛（1/ax）+τ/（Npixel*5us）｝ 上記の式でfitting 50μ pitch 25μ pitch MPPC絶対光量 MPPC絶対光量 目標 y=2.044 x y=2.675x PMTの信号の積分値 PMTの信号の積分値 y = 1/｛（1/ax）+τ/（Npixel*5us）｝ 上記の式でfitting 回復時間はそれぞれ46.5ns,89.3nsでオーダーは一致
まとめ AXEL実験での最大入射光量の見積もり ELを使って増幅し、5μsの間に約5x104個のphotonを MPPCで検出 MPPCのlinearity測定 25μ pitchでは5×104phtons/5μs まで、50μ pitchでは 4×104phtons/5μs までリニアリティを保つ
Back up
Fittingの式の計算 25μ pitch y’＝ax y’ y *Pixelあたりの単位時間光量 k[/pixel・s] = 全光量/（[Npixel]*[5us]） *前のpulseがきてから t s後の確率分布 k exp（-kt） *平均gain g = g0/(1+kτ) *回復時間τ τ=(g0/g - 1)/k 25μ pitch MPPC絶対光量 y’＝ax ＊g0：測定値から求めたゲイン g：平均ゲイン y/g = y’/g0 と思ってgを算出 ＊総光量 A = y’*g = y*g0 *fittingで使う式 g = g0/(1+kτ)に上記の値を代入して整理する y = 1/｛（1/ax）+τ/（Npixel*5us）｝ y’ y PMTの信号の積分値
ダークの波形 50μ pitch 25μ pitch 40ns 40ns
6/4 50upitch 全ての平均gain算出
5/27 25upitch 全ての平均gainで算出