R&D of MPPC including readout electronics

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1 R&D of MPPC including readout electronics
田口　誠（京都） 村上　武、田中　真伸(KEK) 測定器開発室ワークショップ 12/7

2 内容 MPPCに対するT2Kからの要求 読み出しエレキ開発のモチベーション Trip-t MPPCの読み出し 今後の予定 まとめ

3 T2Kからの要求 項目 要求 状況 エリア 1.2×1.2mm2 開発中 ピクセル数 100/400 OK ゲイン ～106
スレッショルド <1MHz クロストーク <10% PDE >30% 時間分解能 ~2,3ns T2Kからの要求は、エリア、クロストークを除いてほぼ満たされている現在のサンプルでも十分使用し得る

4 読み出しエレキ開発のモチベーション T2K実験では～60,000個のMPPCを用いる
複数のチャンネルを同時に読み出すためのエレクトロニクスが必要不可欠 Trip-t(TRIgger and Pipeline with Timing)の使用が決定している もうすぐ（今年中?）に～500個のサンプルが納入予定　  それらのテストを行うフロントエンドが必要　　　　（CAMACだと500個をテストするのはしんどい） これらのモチベーションに基づきTrip-tのテストを行った

5 Trip-t

6 Trip-t 14mm フェルミ研で開発され、D0実験のVLPC(Visible Light Photon Counter)のフロントエンドとして使用された 入力 32chのアナログシグナル 出力 1. 32chそれぞれのDiscriシグナル(D_OUT) 2. 入力電荷に比例したアナログシグナル(A_OUT) 3. 入力とゲートの立ち上がりの時間差に比例した　　　　　　　　　　 　　　　　　　アナログシグナル(T_OUT) 今回、A_OUTについてのみ述べる

7 テストボード Trip-tのテスト用に測定器開発室の予算でテストボードを作成 測定器開発室として、
　MPPCの読み出しエレキに始めて着手した MPPCの入力は4ch 電源は+2.5V

8 Trip-t回路図 今回はA_OUTについて述べる A_OUT (電荷情報) アナログ マルチプレクサ 入力 A_パイプライン フロント
エンド T_OUT (時間情報) T_パイプライン アナログ マルチプレクサ デジタル　　　　マルチプレクサ D_OUT(discriシグナル) 増幅 Discriシグナルを生成 読み出す前に、シグナルをストックしておく （深さ１－４８） 32chの入力を　　シリアル化する 今回はA_OUTについて述べる

9 Trip-t読み出しシーケンス MPPCシグナル(ch1) プレアンプリセット プレアンプを通った後のMPPCシグナル A_OUT
マルチプレクサのクロック 1 2 32

10 Trip-t A_OUT ゲイン パイプライン 3pF 1pF プレアンプ 入力 プレアンプゲインx1 or x4
パイプラインゲインx2,x4,x8…

11 リニアリティ 色の違いはTrip-tのゲインの違いを表す 入力電荷 vs ADCカウント 入力電荷 vs フィット直線からのずれ
MPPC 10p.e. (G=7.5x105) Trip-tのゲインを大きくすると低チャージのところで直線からずれる プリアンプゲインx1、パイプラインゲインx4で使う

12 A_OUT ゲイン チャンネル ゲイン (ADC count/pC) 15 730 16 710 31 735 32 732
チャンネルごとのゲインのばらつきは~4%

13 A_OUT クロストーク 0.4% テスト電荷を入れているチャンネル(ch15)以外のチャンネルにシグナルがクロストークしていないか？
クロストークの定義= 　　あるチャンネルのADCカウント/ch15のADCカウント クロストークの割合は0.4%程度で、十分小さい 0.4% ch

14 MPPC読み出し T2K向け最新の100、400ピクセルのサンプルを使用

15 セットアップ Labview FADC -5V 4mケーブル - + Trip-t A_OUT オペアンプ +5V MPPC
コントロールシグナル トリガー LED A_OUTの電位差をデジタル情報に変換 Labview

16 Trip-tを用いてMPPCの読み出しができた
A_OUT 400ピクセル 1 2 4 3 3 Trip-tを用いてMPPCの読み出しができた 2 1 4 A_OUT ADCカウント

17 CAMAC、Trip-tで測ったMPPCのゲイン
by Trip-t by CAMAC 100ピクセル 400ピクセル 1x106 3x106 それぞれの方法で測ったゲインはよく一致している Trip-tのキャリブレーションが正しくできている 4x105 1x106 69.4V 70.4V 69.4V 70.4V

18 4ch同時読み出しができた 400ピクセル 100ピクセル ゲイン=7.5x105 ゲイン=2.7x106 400ピクセル 400ピクセル ゲイン=1.1x106 ゲイン=6.5x105

19 Trip-tゲインの最適化 Trip-tのゲインは、これまでのセッティングに対しあとファクター4だけ下げられる
Trip-tのゲインを下げるとダイナミックレンジも大きくなるが、1p.e.の分解能も悪くなる Trip-tのゲインをどこまで下げられるかを調べた

20 Trip-tゲイン ダイナミックレンジ S/N X1 ～40p.e. 3 X2 ～20p.e. 10 X4 ～10p.e. 20
Trip-tゲイン x1(最小) Trip-tゲイン x2 Trip-tゲイン ダイナミックレンジ S/N X1 ～40p.e. 3 X2 ～20p.e. 10 X4 ～10p.e. 20 基礎特性を測る時に0p.e.と1p.e.がきれいに分離していた方がよいTrip-tゲインx2以上

21 今後の予定 現在のボードでは4chしか同時に測定できない 31ch読み出せるボードを開発中、年明けには
（測定器開発室の予算で大量のサンプルをテストする方法の確立も測定器開発室の重要なアクティビティである） このボードを用いて500個のサンプルをテストする 　- ゲイン、ブレイクダウン電圧のばらつき 　- PDEのばらつき

22 現在開発中のボード 1 Labview コントロールシグナル Trip-t 31 A_OUT PPG 1chはキャリブレーション用
コントロールシグナルはLabview又はPPG(VMEのモジュール)から送る バイアス電圧 (全チャンネル共通) FADC

23 まとめ これまででMPPCの特性はよく測られ、T2Kで使用し得るものである Trip-tをMPPCの読み出しエレキに用いた
大量サンプルのテストに向け、31ch同時読み出し可能なボードを製作中

24 T_OUT MPPCシグナル D_OUT 電圧 パイプライン　クロック 時間差

25 Back up

26 T_OUT リニアリティ 時間(ns) 時間(ns) 入力電荷=0.65pC T_OUT ADCカウント vs 時間

27 T_OUT ゲイン チャンネル ゲイン (count/ns) 15 8.52 16 8.60 31 8.00 32 9.97
ばらつき~25%

28 Trip-tのT2Kでの使用 ハイゲイン、ローゲインチャンネル 100pF ハイゲインチャンネル MPPC シグナル ローゲインチャンネル
ハイゲインチャンネル: フォトピークからゲイン測定 ローゲインチャンネル: 数100p.e.までのダイナミックレンジをかせぐ

29 スピル構造 8 (15) バンチ バンチ間隔 540 (241) ns スピル構造 スピル構造 チップ時間構造 integration
reset 8 (15) バンチ バンチ間隔　540 (241) ns