T2K実験に向けた新型光検出器MPPCの多量サンプルテスト

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1 T2K実験に向けた新型光検出器MPPCの多量サンプルテスト
日本物理学会 2007年春季大会 2007/3/25 五味 慎一　中家 剛 横山 将志　田口 誠　(京都大学) 中平 武　(ＫＥＫ) ＫＥＫ測定器開発室光検出器グループ

2 T2K実験でのMPPCの役割 MPPCはこれらの要請に応えることができる。
前置検出器のほとんどの部分では、シンチレーター+WLSファイバーで読み出しを行う。ファイバーを遠方まで引くのが困難な為、内部に置きたい。  コンパクト Off Axis 検出器は、0.2Tの磁場中に置かれる。  磁場中で動作 target MPPCはこれらの要請に応えることができる。 他にも利点として・・・ ・　高い光子検出効率 ・　優れたフォトンカウンティング能力 ・　低いバイアス電圧・高いゲイン SK

3 T2K実験からの要請 項目 要請 測定結果 有感領域 1.2×1.2mm2 HPK now working ピクセル数 100/400 OK
ゲイン ~1×106 1p.e. ノイズレート <1MHz クロストークレート <5% 光子検出効率(PDE) >1×PMT 時間分解能 ~2,3n秒 基礎特性としては十分実験に用いることが出来る。 Ｔ２Ｋ実験では総数約60000個ものＭＰＰＣが使用される予定になっている。

4 T2K実験での読み出しに用いられる、trip-t チップテストボード
今回の測定では、trip-tという複数のチャンネルを同時に読み出し可能なチップを用いてテストを行った。このtrip-tチップはT2K実験で使用される。 T2K実験では一つのtrip-tチップに16個のMPPCからの信号が対応する構造になる。 MPPC入力 Trip-t 具体的な数をあげるなら、特性の揃った16個のMPPCを選び出すことが出来るか、を確かめることが今回の測定の目的の一つである。

5 目的 多量サンプルについて個々のサンプルの持つ特性のばらつきを理解しておくことは、実際に実験で使用する際に各ＭＰＰＣへかけるバイアス電圧を決定する時や、キャリブレーションを行う時に必要である。 今回我々は100個という多量のＭＰＰＣサンプル(400ピクセル)について、個々のサンプルの持つゲイン・PDE・ノイズレート・クロストークレートの４項目について測定を行い、最終的に100個のサンプルについて各特性の個体差を見た。

6 基礎特性と、個々のサンプルの持つ特性のばらつきの測定
　ゲイン 　光子検出効率(PDE) 　ノイズレート 　クロストークレート

7 ゲインの測定 Vbd MPPCのゲインの定義式 V ΔV バイアス電圧 この差分からゲインを定義する。
ADC分布　MPPC No.50 15℃　69.7V pedestal Vbd V 1p.e signal ΔV バイアス電圧 2p.e 3p.e 4p.e … この差分からゲインを定義する。

8 Gain DV : 400pixel 20℃ 100samples
ゲイン測定結果 (100サンプル) Gain : 400pixel 20℃ 100samples Gain DV : 400pixel 20℃ 100samples ×10^3 ×10^3 T2K (~1×10^6) ~10×10^5 ~7×10^5 バイアス電圧 (V) ΔV (V) MPPCのゲインはΔVのみの関数であり、100個のサンプルに関してその関数の形は同じである。

9 100個のサンプルについての、ゲインの傾き・及びブレイクダウン電圧の分布図
C/e : 400pixel 100samples VBD 20℃ : 400pixel 100samples ゲインを直線でフィットした時の傾き (20℃) ~ 0.4 V ±2% 5 　　 C/e (×10^5) ブレイクダウン電圧(20℃) (V) 100サンプルについて直線フィットした際の傾きは良く揃っている。　　　　特性の違いはブレイクダウン電圧の違い ブレイクダウン電圧は、約0.4V内に収まっている。

10 光子検出効率(PDE)の測定 MPPCのPDEを、PMTとの比較から定義する(相対PDE)。すなわちMPPC・PMT両者に同じ光量を入れ、各々の光電子数を測定することによって、MPPCのPMTに対する光子検出効率を測定する。 ( p.e. ＝光電子数 ) 紙 PMT MPPCが置かれる各位置での光量をPMTで測定する。 青色LED PMT PMT 電源供給 PMT

11 PDE測定結果 (100サンプル) MPPCのPDEはΔVのみの関数であり、100個のサンプルに関してその関数の形は同じである。 ~1.80
PDE : 400pixel 20℃ 100samples PDE DV : 400pixel 20℃ 100samples ~1.80 ~1.37 T2K (~PMT) バイアス電圧 (V) ΔV (V) MPPCのPDEはΔVのみの関数であり、100個のサンプルに関してその関数の形は同じである。

12 ノイズレートの測定 ADC分布を用いて測定を行う。 ペデスタルの個数
pedestal MPPC No.050 Gate=800n秒 ペデスタルの個数 1p.e 2p.e ・・・ Poisson分布によることを仮定 1ゲート中に1個のノイズが入る数( =P(1) )、2個のノイズが入る数( =P(2) )・・・として各P(n)を計算する。ノイズレートは、その総数が合計した測定時間内に起こったと考えることで定義できる。

13 ノイズ測定結果 (100サンプル) MPPCのノイズは、同じΔVのみによる関数にはなっていない。同じΔVでもばらつきが存在する。
Noise rate [kHz] : 20℃ 100samples Noise rate [kHz] DV : 20℃ 100samples T2K(1MHz) ~365kHz ~190kHz バイアス電圧 (V) ΔV (V) MPPCのノイズは、同じΔVのみによる関数にはなっていない。同じΔVでもばらつきが存在する。

14 ペデスタルの個数はクロストークに因らない
クロストークレートの測定 クロストークとは、ある一つのピクセルが電子雪崩を起こした際に放出されたフォトンが別なピクセルの電子雪崩の引き金になる現象を指す。すなわち、1p.eが2p.eに見えることになる。このクロストークが起こる確率を以下のように定義する。 ペデスタルの個数はクロストークに因らない 測定 Poisson分布によることを仮定 2p.e 以上の個数 : P(2) ( ペデスタルから計算 ) || クロストークの影響を含まない 2p.e 以上の個数 : P(2) ( 測定結果 ) || クロストークの影響を含む この差がクロストークによる損失を表している。 クロストークレートは、このように定義できる

15 クロストークレート測定結果 (100サンプル) cross-talk rate : 20℃ 100samples cross-talk rate DV : 20℃ 100samples ~29 % ~18 % T2K (5%以下) バイアス電圧 (V) ΔV (V) MPPCのクロストークレートはΔVのみの関数であり、100個のサンプルに関してその関数の形は同じである。

16 結論 今回我々はＭＰＰＣ(400ピクセル)×100個に関してその基礎特性のばらつきを測定した。
基礎特性の違いは、ブレイクダウンの違いに集約することが出来る。ただしノイズに関しては相違が見られる。 今回のサンプルでは、そのブレイクダウン電圧の違いは100サンプルで、約0.4V 以内に大部分が収まっているといえる。この程度のばらつきならば、数万個の中から16個の特性の近いMPPCを選び出すことは十分に可能であると考えられる。  MPPCはT2K実験に使用することが可能である。

17 Back up

18 ADC分布からノイズを算出する場合の難点
先の定義で1p.eノイズの測定は可能であることが分かる。 しかし、2p.eノイズの測定を考えると、デジタル信号で見るのでアフターパルスの影響とクロストークの影響(共に1p.e2p.eに見える)とを、区別することができない。 すなわち2p.eノイズをこの方法では測定できない。 スケーラーでは、両者はthresholdの違いから識別可能。 デジタル信号で見ると両者は同値なので、識別不可。 0.5p.e アフターパルス 1.5p.e 1p.eノイズ 1ゲート 0.5p.e クロストーク 1.5p.e 1ゲート

19 一様光源 使用した光源 青色LED×1 の光を、紙×2枚 を用いてぼかす。 MPPCまでの距離は取りうる最大を考える。
箱 PMT(開口部Φ1mm)で縦・横にスキャンして、一様になっているかをテストし、その値を用いてPDEを定義する。 電源供給

20 PDEの測定 PDEの測定は、PMTで行ったスキャンの結果から各MPPCへ入る光の量を決定し、算出する(relative PDE)。
Position 1 +24mm Position 2 +14mm Position 3 -14mm Position 4 -24mm PDEの測定は、PMTで行ったスキャンの結果から各MPPCへ入る光の量を決定し、算出する(relative PDE)。 リファレンス用にMPPCを一つ、別に固定し各測定ごとの光量の安定性を見て最終的な値を出す。

21 MPPC基板について 現存する基板では、MPPCを固定する方法が思いつかなかったので、今回基板を新たに作成することにした。
読み出し ×4 現存する基板では、MPPCを固定する方法が思いつかなかったので、今回基板を新たに作成することにした。 4個同時に並べる構造をとる。 2層に分かれていて、下の層に回路が存在し、上の層でMPPCを固定する構造をとる。 50mm 電圧 MPPCをはめる所 ×4

22 MPPC基板の台について 出来るだけ簡易かつ再現性が高いもの、が理想である。 ここが当たって止まる。 MPPCの着脱が出来る。

23 全体図 測定系の全体図。 両者間の距離は、(1). 光源側は手を触れない (2). MPPC側は土台が重い、ということから変化しないとする。
移動プラットホームを用いると、読み出される信号が不安定になる可能性が高いので使用しないことにした。

24 Gain DV : 400pixel 20℃ 100samples
Gain : 400pixel No.50 Gain DV : 400pixel No.50 Gain DV : 400pixel 20℃ 100samples Gain : 400pixel 20℃ 100samples ×10^3 ×10^3 ×10^3 ×10^3

25 HPK推奨電圧とブレイクダウン電圧との関係 (400pixel)
Vop (HPK) versus VBD HPKさんの表では、ゲインが7×10^5(25℃)の時のデータだった。 横軸にHPK推奨電圧、縦軸に各温度でのブレイクダウン電圧をプロットする。 　 青　: 15℃ 　 緑　: 20℃ 　 赤　: 25℃ ブレイクダウン電圧と、HPK推奨電圧(データ表)との間には相関が見られる。

26 PDE : 400pixel No.50 PDE DV : 400pixel No.50 PDE : 400pixel 20℃ 100samples PDE DV : 400pixel 20℃ 100samples

27 Noise rate [kHz] : 400pixel No.50 Noise rate [kHz] DV : 400pixel No.50
Noise rate [kHz] : 20℃ 100samples Noise rate [kHz] DV : 20℃ 100samples

28 cross-talk rate : 400pixel No.50 cross-talk rate DV : 400pixel No.50
cross-talk rate : 20℃ 100samples cross-talk rate DV : 20℃ 100samples

29 ノイズレートの測定 時間 1 1 1 1 2 ・・・5/Time or 6/Time 1 2 1 2 ・・・4/Time or 6/Time 3 1 2 ・・・3/Time or 6/Time Time クロストーク由来(本来は1つのノイズ) 単純にADC分布で見た時に0.5p.e以上にあるものをノイズとして単純に積分してノイズを求めると、用いるゲートの長さによって測定結果が変化してしまう。 では1p.eピークの個数( =P(1) )、2p.eピークの個数( =P(2) )・・・と各P(n)を数えて、Σn・P(n) でノイズの総数を定義するのはどうかと言うと、MPPCにはクロストークがあるので、ノイズが2回来たのか・クロストークなのかの区別がつかないと言う難点がある。

30 Noise [ kHz ] : No.50 (Scalar) 800nsec & 200nsec
ノイズの定義の確かさ 正しい定義の下ならば、ゲート幅の値に関係なくノイズの結果が一意的に決定するはずである。これについて見てみる。 Noise [ kHz ] : No.50 (Scalar) 800nsec & 200nsec ■ ・・・　800nsec ● ・・・　200nsec 2つの結果は良く一致している。 15℃の右(ΔV が大きいところ)で、二つのグラフに相違が見られる。

31 Gain DV : 100pixel 20℃ 12samples
Gain : 100pixel No.1 Gain DV : 100pixel No.1 Gain : 100pixel 20℃ 12samples Gain DV : 100pixel 20℃ 12samples

32 12個のサンプルについての、ゲインの傾き・及びVBDの分布図
C/e : 100pixel 12samples VBD 20℃ : 100pixel 12samples Vop (HPK) 100pixel まだテストしたサンプル数が少ないので、結論を出すことはできない。 VBDの結果は、HPKさんでの測定(右図)と対応付けられるだろうか。

33 PDE : 100pixel No.1 PDE DV : 100pixel No.1 PDE : 100pixel 20℃ 12samples PDE DV : 100pixel 20℃ 12samples

34 Noise rate [kHz] : 100pixel No.1 Noise rate [kHz] DV : 100pixel No.1
Noise rate [kHz] : 20℃ 12samples Noise rate [kHz] DV : 20℃ 12samples

35 cross-talk rate : 100pixel No.1 cross-talk rate DV : 100pixel No.1
cross-talk rate : 20℃ 12samples cross-talk rate DV : 20℃ 12samples

36 Noise rate [ kHz ] (スケーラー)
Noise [kHz] : 400pixel No.50 Scalar Noise [kHz] DV : 400pixel No.50 Scalar Noise [kHz] : 100pixel No.1 Scalar Noise [kHz] DV : 100pixel No.1 Scalar

37 cross-talk rate = (2p.e noise / 1p.e noise)
cross-talk rate : 400pixel No.50 cross-talk rate DV : 400pixel No.50 cross-talk rate : 100pixel No.1 cross-talk rate DV : 100pixel No.1

38 1p.e Noise [kHz] MPPC 400pixel No.50/100samples
ノイズの結果の比較 1p.e Noise [kHz] MPPC 400pixel No.50/100samples ■・・・Scalar ●・・・ADC分布 　 青　: 15℃ 　 緑　: 20℃ 　 赤　: 25℃ ADC分布を用いて出したものの方が、スケーラーでの結果と比べて値が小さい。

39 ノイズ考察 何故 ADC分布から求めたノイズとスケーラーで測定したノイズとの間に差異が生じたのか？  アフターパルスの影響
　アフターパルスの影響 ADC分布から求めたノイズは、『時間当たりの、熱電子がガイガー放電を起こし1p.eパルスを出した回数』であり、スケーラーで求めた値はこの値にアフターパルスの影響がかぶってしまっているのではないだろうか。 0.5p.e スケーラーではこれを『2個』として見てしまう。 アフターパルスの影響 ADC分布では、こちらを見ることになるので『1個』。

40 Trip-t フェルミ研で開発 D0実験での使用実績 T2K、MINERvA実験で使用予定 入力 32chのアナログシグナル(－のチャージ)
14mm フェルミ研で開発 D0実験での使用実績 T2K、MINERvA実験で使用予定 入力 32chのアナログシグナル(－のチャージ) 出力 chそれぞれのDiscriシグナル 2. 入力電荷に比例したアナログシグナル 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

41 Trip-tダイアグラム ch1 ch2 ch2 ch32 マルチプレクサ フロント エンド パイプライン ch1 ch32
2段のアンプで増幅 シグナルをストックしておく（深さ1~48) シリアル化

42 Trip-t読み出しシーケンス MPPCシグナル(ch1) プレアンプコントロールシグナル プレアンプを通った後のMPPCシグナル 出力
マルチプレクサのクロック 1 2 32

43 セットアップ FADC SciBar DAQボード 4mフラットケーブル テストボード(4ch) - + Trip-t オペアンプ MPPC
コントロールシグナル LED トリガー デジタル波形発生器 AD 変換

44 T2K実験 実機タイプエレクトロニクス(preliminary)
16 MPPCs 16 MPPCs UKグループによる開発 64MPPCs/ボード 16ハイ・ローゲインチャンネル/チップ FPGAによるコントロール 温度モニター MPPCのBias微調整用DAC Trip-t Trip-t FPGA ADC ADC Trip-t Trip-t 10bit 16MPPCs 16MPPCs

45 実機タイプエレクトロニクス(preliminary)
power 表 裏 TRIP-t ADC FPGA ADC I/O connect

46 Chip time structure (preliminary)
spill(8bunch) beam catch late signal readout integrate(~300ns) reset (~50ns) 5.6us ~3us ~50us

47 System Overview … … … TFB0 TFB1 TFB47 … TPS GTM RMM0 MCM SCM
SiPM0 … SiPM63 SiPM0 … SiPM63 SiPM0 … SiPM63 TFB0 TFB1 TFB47 … Trigger Primitives TPS Power distribution Gigabit/Ethernet Clk & trg data GTM RMM0 Cosmic trigger Gigabit/Ethernet Acronyms: TFB: TRIP-t front-end board RMM: r/o merger module GTM: global trigger module MCM: master clock module SCM: slave clock module TPS: TRIP-t power supply FPN: front-end proc. node (PC) Clk & trg Clk & trg MCM SCM FPN Clk & trg Special trigger Gigabit/Ethernet GPS 1Hz/100MHz Spill trig & # (Acc. RF) Gigabit/Ethernet

48 Readout Merger module(RMM)
Trip-t board RJ45 RJ45 RJ45 CLK RJ45 1G Opto RJ45 RJ45 1:36-48 RJ45 DAQ RJ45 1G Opto RJ45 RJ45 1G Ethernet RJ45 power ? RJ45 1G Opto RJ45 RJ45 RJ45 RJ45 1G Opto RJ45 RJ45 RJ45 RJ45 1G Opto RJ45 RJ45 RJ45 RJ45 1G Opto RJ45 RJ45 RJ45 RJ45 RJ45 1G Opto RJ45 RJ45 RJ45 4 LVDS pairs RJ45 1G Opto RJ45 FPGA RJ45 RJ45 FPGA RJ45 RJ45 1G Opto RJ45 RJ45 RJ45 RJ45 1G Opto RJ45 RJ45 FLASH XTL2 RJ45 RJ45 RJ45 RJ45 1G Opto CPLD XTL1 RJ45 RJ45 RJ45 RJ45 1G Opto 2v5 RJ45 RJ45 RJ45 RJ45 1G Opto RJ45 3v3 RJ45 RJ45 RJ45 1G Opto RJ45 2v5 300mm x 100mm version RJ45 RJ45 RJ45 1G Opto RJ45 1v8 RJ45 RJ45 RJ45 1G Opto RJ45 1v2 RJ45 RJ45 RJ45 JTAG