GLD カロリメータの読み出しに 用いられる光検出器 MPPC の性能評価 2007 年９月 22 日 日本物理学会＠北海道大 筑波大学 山崎秀樹 金信弘 須藤裕司 生野利典 高橋優介 他 GLD カロリメータグループ 2016/7/22.

Presentation on theme: "GLD カロリメータの読み出しに 用いられる光検出器 MPPC の性能評価 2007 年９月 22 日 日本物理学会＠北海道大 筑波大学 山崎秀樹 金信弘 須藤裕司 生野利典 高橋優介 他 GLD カロリメータグループ 2016/7/22."— Presentation transcript:

1 GLD カロリメータの読み出しに 用いられる光検出器 MPPC の性能評価 2007 年９月 22 日 日本物理学会＠北海道大 筑波大学 山崎秀樹 金信弘 須藤裕司 生野利典 高橋優介 他 GLD カロリメータグループ 2016/7/22

2 γ 線照射 to MPPC GLD Calorimeter では MPPC は放射線環 境下での使用が見込まれ、 そのために東工大で γ 線を照射し,MPPC の放射線耐性の評価をした 2016/7/22

3 放射線照射による影響 放射線照射による影響 Total dose 効果 照射量に比例して漏れ電流増加 - Hole trap （ SiO2 層に正孔が捕獲される） → X 線、電子、 γ 線 - Surface damage (Si-SiO2 境界面に負電荷が蓄積 ) 高波高ノイズ 効果 ある照射量から大きく漏れ電流変化 局所的に高電圧状態 → 高波高ノイズ発生 2016/7/22

4 γ 線照射実験＠東工大 γ 線照射実験＠東工大 2016/7/22 放射線源 : ~15TBq 60Co Source γ-ray energy : 1.173 MeV, 1.332 MeV 60 Cm MPPC 60Co Source 照射サンプル ILC-11-025M ( 1600Pixel )sample#9.#12,#14 累積放射線量 1krad/h 12 時間照射 →12krad(120Gy) 1krad/h 6 時間照射 →6krad(60Gy) 1krad/h 3 時間照射 →3krad(30Gy) 1Krad=1000rad=10Gy (gray)=6.25*10 10 MeV / g

5 測定項目 測定項目 2016/7/22 Gain,NoiseRate 測定 照射前のものと比較し、放射線による影響をみる Leakage Current 測定 時間変化を測定し、回復現象をみる I-V Curve の測定 Total dose 効果のみがみられる時に測定する

6 2016/7/22 Leakage Current ( 照射中 ) 2016/7/22 MPPC に光をあてていない状態で 回路内に流れる電流量を マルチメータで測定する 6 Leak Current 測定回路 30Gy (3krad) 照射サンプル (#14)60Gy(6Krad) 照射サンプル (#12) 120Gy(12krad) 照射サンプル (#9) 120Gy をあてたサンプルで は高波高ノイズが発生して いる

7 MPPC Pulse Shape MPPC Pulse Shape 2016/7/22 120Gy 照射後サンプル バイアス電圧印加直後 （セルフトリガーでの波形） 高波高ノイズと思われる信号が出ており、波高は 1 p.e. ( 約 20mV ) よりも高い (>5p.e. height) Range 20ns Range 50mV

8 Leakage Current ( 照射後 ) 放射量によって Leakage Current が増加 120Gy をあてたサンプルでは高波高ノイズによる 影響が大きく出ている 120Gy をあてた Sample にバイアス 電圧をかけ続けると、回復現象 がみられる 2016/7/22

9 Gain Gain 2016/7/22 120Gy 60Gy 30Gy d どの放射線量でも Gain の値は 10 5 以上あり、 GLD Calorimeter の要求 (10 5 ～ ) を満たす 1 p.e. peak Pedestal peak 2 p.e. peak 120Gy をあてた Sample では この領域の Gain は求められな い ↓ADC 分布 ( Vbias=78.6)

10 Noise Rate Noise Rate 2016/7/22 照射量によってノイズレートが増加する GLD Calorimeter の要求を満たす ΔV の領域は～ 3.5V ( ～ 1MHz) 120Gy ではノイズが 10MHz 以上ある (0.5p.e. が見つけ られない ) Noise Rate: 熱電子によって起こる 雪崩による signal

11 Cross talk Probability Cross talk Probability 2016/7/22 Cross talk : Cross talk : 電子雪崩から生成され た光子が隣の pixel で電 子雪崩を起こす 2 photo-electron signal を Cross-talk によるものとする Crosstalk 率も照射量に よって増加する

12 今後の予定 Proton 、中性子線による照射実験（ 1600pixel MPPC ） ハドロン粒子照射での Bulk damage もみる GLD Calorimeter での各放射線量の見積もり まとめと今後の予定 Total dose 効果のみが見られた Sample(30Gy,60Gy) で Noise Rate は照射前より増加し、使える ΔV の領 域 は狭まる 120Gy をあてたサンプルでは回復をさせて も Photon Counting が できない領域がある 2016/7/22 まとめ

13 Back Up 2016/7/22

14 120Gy 照射 Sample 2016/7/22

15

16 温度モニター（ γ 線 照射中＠照射 室） 120 Gy (Sample#9) (2007 年 9 月 14 日 19 時 25 分開 始 ) 60 Gy (Sample#12) (2007 年 9 月 14 日 10 時 53 分開 始 ) 30 Gy (Sample#14) (2007 年 9 月 14 日 10 時 53 分開 始 ) 2016/7/22

17 Leakage Currnet ( サンプルの個体差 ) 2016/7/22

18 240Gy 照射サンプル 測定結 果 2016/7/22

19 Gain(ADC Distribution) 2016/7/22 Photon Counting が出来ない 測定一回目 バイアスをかけた直後 全 event 数 10000 測定二回目 バイアスをかけた直 後 全 event 数 10000 測定二回目 バイアスをかけてから 14 時間 全 event 数 100000 S :ADC 分解能 (0.25pc/Count) d: 1 p.e. mean – Pedstal mean A : Amp gain = 63 e : electron charge = 1.6 x 10-19 C

20 Noise Rate(Threshould Curve) 2016/7/22 Threshould Curve Noise Rate: 熱電子によって起こ る 雪崩による signal 放射線をあててない MPPC の Threshold Curve （現行システム） 0.5 p.e. Threshold 1.5 p.e. Threshold オーダーは 10MHz まで 達している 放射線をあててない MPPC では 数十 KHz バイアス電圧をかけた直後からのプロッ ト

21 Noise Rate(Threshould Curve その２ ) 2016/7/22 一度バイアス電圧を切ってから再度測定 この波高領域が 効いている Dark Noise の数が多すぎて CAMAC Discri の gate に入り きっていないのではと思 われる

22 漏れ電流 (Leakage Current) 2016/7/22 MPPC に光をあてていない状態で 回路内に流れる電流量を マルチメータで測定する 半導体検出器に逆電圧印加時、熱電子によって 定常的な電流が発生 今回の測定では漏れ電流のピークは 8 μ A で 東工大 松原さんの結果では 10 μ A まで達し ていることから、アニーリングは進んでし まっていることが分かる

23 ホールが捕獲されることで禁制帯の中に新しい エネルギー 東工大 松原さんのトラぺより 抜粋 2016/7/22

24

25

26 10krad/h*10h 照射後は photon counting 出来ていな い （累積放射線量 122.2krad ） 照射前 （累積放射線量 22.2krad ） SIPM 損傷試験： ADC distribution @ 東工大

27 ADC distributions @ operating voltage Photon-counting capability is lost due to baseline shifts and noise pile-up after 21 Gy irradiation. 0 Gy 2.8 Gy 5.5 Gy 8.0 Gy Sample #21 (16 Gy/h)Sample #20 (130 Gy/h) 0 Gy 21 Gy 42 Gy noise rate 270 kHz 6.9 MHz >10 MHz noise rate 270 kHz >10 MHz gate width : 55 ns Noise-rate measurements were limited due to scaler performance 陽子照射結果 防衛大 松村さんのトラペより抜粋

28 0 Gy (27.6 ℃ ) 2.8 Gy (27.4 ℃ ) 5.5 Gy (27.2 ℃ ) 8.0 Gy (27.0 ℃ ) Gain (10 6 ) bias voltage (-V) Sample #21 16 Gy/h operating voltage V op = 69.58V Gain curve For higher bias voltages, the gain measurement was difficult due to noise pile-up and baseline shift. No significant gain drop is found up to 8.0 Gy irradiation at the operating voltage (less than 5%).