T2K実験 前置検出器のための 光検出器MPPC/SiPMの性能評価

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1 T2K実験 前置検出器のための 光検出器MPPC/SiPMの性能評価
田口　誠、西川　公一郎、中家　剛 横山　将志、信原　岳（京大理） KEK測定器開発室

2 内容 MPPC/SiPMについて 基礎特性評価(PDE,リニアリティ) レーザーテスト まとめ

3 MPPC (Multi Pixel Photon Counter)
100~1000 APD ピクセル in 1mm2 それぞれのピクセルはガイガーモードで動作する 　(入射フォトン数に依存しない) 出力信号は各ピクセルからの出力のアナログ和 SiPMはロシア製のものの名称 T2K前置検出器で使用予定 1mm 1mm 1p.e MPPCのadc分布 1p.e 0p.e MPPCのadc分布 0p.e

4 測定に用いたMPPCのタイプ タイプ ピクセル数 バイアス電圧 測定項目 HPK21 100 ~70V
ゲイン、ノイズレート、クロストーク率、PDE、リニアリティ、ビームテスト、レーザーテスト HPK32 （最新のサンプル） 400 ~69V ゲイン、ノイズレート、クロストーク率、PDE、リニアリティ HPK53 ゲイン、ノイズレート、クロストーク率については前回の学会で報告済み

5 基礎特性評価(PDE) HPK32はPMTの2倍のPDEを持ち、T2Kの要請(PDE>15%)を満足する セットアップ
PDE(photon detection efficiency)=QE×εpixel×εgeiger 　(QE:量子効率, εpixel：受光面の割合,εgeiger:ガイガー放電を起こす確率) PMTとの相対的なPDE セットアップ HPK32はPMTの2倍のPDEを持ち、T2Kの要請(PDE>15%)を満足する 2 リファレンス用PMT 2 青色LED 1 HPK32(400ピクセル) 波長変換ファイバー 1 バイアス電圧(V) MPPC 550 1mm径スリット 68.6 68.8 69.0 69.3 550 670 760 900 ノイズレート（kHz)

6 基礎特性評価(リニアリティ) HPK32のリニアリティ曲線は予想曲線と一致し、T2Kの要請(ダイナミックレンジ~200)を満足する
ガイガー放電を起こしたピクセルの数 HPK32のリニアリティ曲線は予想曲線と一致し、T2Kの要請(ダイナミックレンジ~200)を満足する (予想値－データ)/予想値 200 +5% 100 -5% ピクセル数、クロストーク率から計算される予想曲線 100 300 100 300 入射p.e数 入射p.e数

7 ビームテスト@KEK MIPに対して、測定したPDEから予想される通りの光量を得ることができた MPPC 13.3p.e π p PMT
動機 　T2K 前置検出器と同じ読み出し条件で、 MPPCによってT2Kの要請(MIPに対して>5p.e)を満たす光量が得られるか HPK21(100ピクセル) MPPC ビーム 13.3p.e リファレンス用 64ch MAPMT MIPに対して、測定したPDEから予想される通りの光量を得ることができた π HPK21(古いサンプル) PDEはPMTと同じくらい p 0.8GeV/c PMT 18.2p.e シンチレータ1.3x2.5x50 cm3 　(K2K実験のScibar検出器 　　　　で使用していたもの） 1mmΦ波長変換ファイバー

8 レーザーテスト レーザーをピクセルごとに入射し、MPPCのピクセルごとのふるまいを調べた 測定項目 HPK21(100ピクセル)について
顕微鏡 レーザー源 λ=825nm パルス幅 50ps 測定項目 HPK21(100ピクセル)について -ピクセル内での検出効率の　分布 -ピクセルごとのゲイン、検出効率のばらつき レーザースポットサイズ 　≒10μm MPPC 移動ステージ 1μm ピッチ (x , y)

9 ピクセル内での検出効率分布 受光面 70x70μm １ピクセル内でレーザーを２次元スキャンし、各ポイントごとの検出効率を調べた
Efficiency 受光面の全領域で検出効率はフラット 計 100 ポイント　スキャン 1p.e. y 検出効率= 全イベント数における ０．５p.e.以上の割合 0p.e. x 100μm 100μm 0.5p.e.

10 ピクセルごとのゲイン、検出効率のばらつき
y ピクセルごとの応答はよくそろっている x 計100ピクセルスキャン RMS/mean=3.6% RMS/mean=2.5% 相対検出効率 相対ゲイン y y x x

11 まとめ PDE、リニアリティともにT2Kの要請を満たした 実機と同じ環境でよってMIPに対しT2Kの要請を満たす光量を得た
ピクセル毎の応答はよくそろっている T2Kの要請を満たすサンプルが作れる段階になっていることを示した 400ピクセルのサンプルについてピクセル毎のふるまい 大量生産したときの個体差 読み出し回路、ファイバーとの位置合わせの方法 今後の予定

12 supplement

13 ν T2K実験 前置検出器 SK J-PARC νμντ振動パラメーターの精密測定 νμνe振動モードの発見 オフアクシス検出器
オンアクシス検出器 J-PARC

14 T2K実験 前置検出器 これらの要請を満たす 光検出器としてMPPC/SiPMの使用が決まっている 電磁石
オフアクシス検出器 前置検出器のほとんどの部分でシンチレーター＋波長変換ファイバー読み出しを用いる 大量の波長変換ファイバーを狭いスペースで読み出す光検出器が必要 オフアクシス検出器の全体が0.2Tの磁場中に置かれる 磁場中でも安定に動作することが必要 電磁石 これらの要請を満たす 光検出器としてMPPC/SiPMの使用が決まっている オンアクシス検出器

15 ノイズレート測定 MPPCは光を当てていない状態でも、熱によるピクセルの 放電が起こっている (1p.eパルスが典型的）
　測定は 光を当てていない状態で、信号に対して 　0.5p.e, 1.5p.e でスレッショルドをかけ、そのカウントレートをとった イベント数 0p.e 104 イベント数 103 1p.e 0.5p.e # event 102 2p.e 1.5p.e 10 ADC カウント

16 ノイズレート測定 HPK32(400ピクセル) 1MHz 100kHz 15℃ 15℃ 20℃ 20℃ 25℃ 25℃ 68.4 68.4
■　0.5p.e スレッショルド ▲　1.5p.e スレッショルド HPK32(400ピクセル) HPK53(100ピクセル) 1MHz 100kHz 15℃ 15℃ 20℃ 20℃ 25℃ 25℃ 68.4 68.4 69.6 69.4 バイアス電圧(V) バイアス電圧(V)

17 ゲイン測定 LEDの光を当てたときのADC分布 MPPCゲイン=1ピクセルが放電した時に放出する電荷量
2p.e LEDの光を当てたときのADC分布 3p.e 1p.e MPPCゲイン=1ピクセルが放電した時に放出する電荷量 0p.e 0p.eと1p.eのadc カウントの差からゲインを計算 adc カウント

18 ゲイン測定 HPK32(400ピクセル) 3×106 1×106 15℃ 15℃ 20℃ 20℃ 25℃ 3×105 25℃ 1×106
68.4 69.4 68.4 69.6 バイアス電圧(V) バイアス電圧(V)

19 クロストーク率測定 クロストーク ‥あるピクセルがガイガー放電している時にフォトンが発生し、他のピクセルのガイガー放電を引き起こすこと
光を入れない状態でとったデータのうち、2p.e以上のノイズを1p.e　ノイズがクロストークしたものと考えると、 104 103 102 クロストーク率 = 10 と計算できる 0.5p.e 1.5p.e

20 クロストーク率測定 HPK32(400ピクセル) 0.3 0.1 68.4 69.6 68.4 69.4 バイアス電圧（Ｖ）

21 基礎特性評価(PDE) 縦軸の値はPMTとの相対的なPDE HPK32(400ピクセル) HPK21(100ピクセル) 1 500 900
T2Kの要請を満たす範囲 T2Kの要請を満たす範囲 500 900 550 ノイズレート(kHz) 900 400 ノイズレート(kHz) 900 ノイズレート(kHz) ノイズレート(kHz) ノイズレート(kHz) HPK32、HPK53はHPK21に比べて2倍のPDEを持つ HPK32、HPK53は~1Vの電圧範囲でT2Kの要請を満たす

22 基礎特性評価(リニアリティ) 一様光 PMT MPPC
青色LED MPPC 図のようなセットアップでMPPCの入射光量をPMTでモニターし、MPPCのリニアリティを調べた

23 リニアリティ測定 150 30 入射p.e 入射p.e 入射p.e 入射p.e リニアからのずれ HPK32(400ピクセル)
ノイズレート=600kHz 10% ピクセル数から計算される理論曲線 20% 直線でフィット 150 入射p.e 100p.e 200p.e 入射p.e リニアからのずれ HPK21(100ピクセル) ノイズレート=600kHz 10% 20% 30 入射p.e 25p.e 40p.e 入射p.e

24 パッケージ構造による光量のロス MPPCの表面の保護膜と受光面までは0.8mmぐらいの距離あり、ファイバーを出た光は40度くらい広がる 1mm 波長変換ファイバー MPPCの受光面に入る光は減少する リファレンス用PMT 図のようなセットアップでMPPCとPMTのp.e数を比較し、パッケージ構造による光量のロスを含んだPDEを測定した 青色 LED スキャン φ1mm波長変換ファイバー MPPC(1mm2受光面)

25 パッケージ構造による光量のロス 縦軸の値はPMTとの相対的なPDE HPK53(100ピクセル) HPK32(400ピクセル) 2 2
60% 50% 1 60% 500 900 ノイズレート(kHz) 500 900 550 900 400 900 ノイズレート(kHz) ノイズレート(kHz) ノイズレート(kHz) パッケージ構造により光量は50~60%になっている HPKにパッケージ構造の改良を要求した

26 Pとπの光量分布 MPPCによるp/π識別が可能である π p MPPC MAPMT 1.2GeV 1.0GeV 0.9GeV 1.2GeV

27 MIPに対するMPPCとPMTの光量 MPPCの種類 MPPC p.e for MIP PMT p.e for MIP PMTとの光量の比
HPK21#13 9.9 18.3 54 HPK21#14 10.2 18.2 56 HPK21#16 13.3 73 ファイバーとMPPCとの位置合わせのずれと、MPPCのパッケージ構造による光量のロスを考慮すると、得られた光量は測定したPDEから予想される値とほぼ一致した MIPに対しT2Kの要請を満たす光量が得られた

28 ビームテストでのファイバーの位置合わせ X,Y方向の位置のずれにより最大20%の光量のロスが存在する ファイバー(1mmφ) Y 0.8mm
Z 0.8mm MPPCのパッケージ内での受光面の位置はサンプルごとにばらついている サンプルごとにファイバーの位置合わせを行った XY方向の位置合わせ ファイバー固定ネジ MPPC 移動ステージでファイバー をスキャンし、MPPCのシグナルが最大の点でファイバーの位置を固定した 固定具 ファイバー(1mmφ) X,Y方向の位置のずれにより最大20%の光量のロスが存在する 現段階のパッケージ構造によるもので、デバイスの性能からくるものではない

29 PDE測定 Y x この点でPDEを測定 2mm 2mm MPPC X方向スキャン MPPC Y方向スキャン スリット
PMT 1mm径スリットを通ってきた光だけをとらえるようにする MPPCとPMTを移動ステージで2次元スキャンし、それぞれ光量が最大の点を探す 光量が最大の点でのMPPCとPMTのp.e数の比をPMTとの相対的なPDEとする 2mm 2mm MPPC X方向スキャン MPPC Y方向スキャン