T2K Near Detectorのための 光検出器MPPC(SiPM)の性能評価

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1 T2K Near Detectorのための 光検出器MPPC(SiPM)の性能評価
Contents Introduction MPPC Signal & p.e peak Gain, Noise Rate, Cross talk Measurement Summary Fine Grained Detector in T2K Near Detector Requirement for the Photo Sensor About MPPC, Motivation 京都大学大学院理学研究科 修士課程二年 高エネルギー研究室　信原　岳

2 Fine Grained Detector T2K Near Detector 中のFGDにおいて、 1～1.5mmφの
on-axis off-axis Fine Grained Detector (FGD) T2K Near Detector 中のFGDにおいて、 1～1.5mmφの ファイバーを1本1本 個別に読み出す 光検出器 が必要である

3 Requirement for the photo sensor
fine grained detector 光検出器に課せられる要求 大量の光ファイバーの狭いスペースでの読出 高磁場(0.2T)の環境下 (off-axis) MIP～low energy proton までの検出 コンパクトサイズ、安価 読み出しボードの簡略化 　　　　高ゲインが望ましい 磁場に耐性がある Dynamic Range ～200 これらの基礎的要求を満たす光検出器として、 MPPC(SiPM)がその候補として挙げられている

4 Advantage of Multi Pixel Photon Counter
PMT APD MPPC Gain H.V 磁場内での動作 106 ～107 1～2kV Problematic 100～200 100～500V OK 106～107 20～80V 5mm compact size ! high gain low bias V Dynamic Range ～1600 low cost is expected MPPCはFGDからの要求にマッチしていることがわかる よって、FGDでの使用 へむけ、MPPCの性能評価を行う

5 MPPCの動作原理 個々のAPD pixel MPPC ガイガーモードで動作 フォトンが入射すれば、その フォトン数によらず同一の
100～1600 APD pixels /mm2 1pixel ガイガーモードで動作 フォトンが入射すれば、その フォトン数によらず同一の シグナルを出す (Geiger discharge) Quenching Resister MPPC 全てのpixelのanalog sum をシグナルとして出す MPPC シグナルから、discharge を起こしたpixel数がわかる pixelがdischaregeしたときに chargeがこの抵抗を流れることで pixelにかかる電圧がbreakdown V 以下に降下し、dischargeが終了する

6 測定のMotivation シグナル、p.eピークの観測 基礎特性の評価 Motivation MPPCがFGDにおいて最適な光検出器
であるかどうかを見極める Pixel 100～1600 Bias V 34～74 (v) 受光面　1mm2 Signal width 5～100ns 今回その第一段階として、HPK製 10個、ロシア製4個の試作品について以下の測定を行った シグナル、p.eピークの観測 基礎特性の評価 -- Gain, Noise Rate, Cross Talk (Bias V 依存性について) 　

7 Signal & p.e peak LEDによるシグナル を確認した さらに、p.e ピークを見る ことができた
raw signal 1p.e 2p.e LEDによるシグナル を確認した HPK100a 3p.e 1mV/div 100ns/div さらに、p.e ピークを見る ことができた Great Performance for Photon Counting! HPK100a V=48.0 by blue LED 最大で45 p.e ピークまで の観測に成功した number of event 30p.e ピーク毎の間隔は2％以内 で一致していた pixelごとにGainが よく揃っている adc count

8 Gain の測定 微小な光量でのMPPC シグナルを用いる MPPC Gain はBias V, 温度依存性を持つ
20ns pulse Blue LED gate generator 　微小な光量でのMPPC 　　シグナルを用いる 　MPPC Gain はBias V, 　温度依存性を持つ 測定は全て恒温槽内　　　 で２０℃で行った clock generator WLS gate MPPC preamp ADC charge sensitive ×10 ～100 adc count event number 0p.e 1p.e calculate MPPC gain from 1p.e-0p.e count

9 Gain v.s Bias V (20℃) Gain=1×105 ～2×107 dG/dV =Cpixel /1.6×1019 シグナル幅=
Quenching Resister シグナル幅= Cpixel×Rquench Gain=1×105　～2×107 dG/dV =Cpixel /1.6×1019 known value よく一致した Pixelが持つcapacitance ×104 ×103 Gain Gain HPK400b HPK100a 47 48.4 47.5 49.5 bias voltage (V) bias voltage (V)

10 Gain v.s Bias V Gain=3×105 ～2×107 dG/dV depends on
Rus600d Rus600a Gain=3×105　～2×107 dG/dV depends on Capacitance of a pixel T=20℃ Rus600b Rus600c bias voltage (V) Gain Gain HPK100f HPK100a HPK100d number of pixel HPK100e HPK400b HPK1600a bias voltage (V) bias voltage (V)

11 Noise Rateの測定 MPPCはランダムな熱電子ノイズを持つ (1p.eパルスが typical） 測定は 光を当てていない状態で
　測定は 光を当てていない状態で 2通りの方法で　thresholdを取って行った パルス波高による threshold chargeによる threshold 0.5p.e or 1.5p.e th # event 0p.e MPPC output adc MPPC output discriminator scaler 1p.e random gate no LED no LED 0.5p.e take as noise 1p.e pulse 0.5p.e adc count

12 Noise Rate v.s Bias V (20℃) 0.5p.e threshold by pulse height
noise rate (Hz) noise rate (Hz) HPK100a HPK400b HPK100f HPK100d HPK100e HPK1600a bias voltage (V) noise rate (Hz) bias voltage (V) 0.5p.e threshold by pulse height 0.5p.e threshold by charge よく一致している RUS#14 RUS#23 RUS#20 RUS#22 1.5p.e threshold by pulse height bias voltage (V)

13 Cross talk Rate measurement
いま、1つのピクセルがdischargeしたときに,他のピクセルのdischargeを引き起こす確率をcross talk Rateと呼ぶことにする cross talk Rateを 0.5p.e th,1.5p.e th のnoise rateの比較 LEDの光による,ADC分布とポアソン統計との比較 の２通りで測定する

14 ポアソン統計によるCross Talk Rateの測定
LEDによるp.e分布について、データの 0p.eの比率をもとにしたポアソン統計と比較しCross talk Rateを求める 0p.e integrationをとる（p.eごと） 1p.e #event by LED 2p.e ratio Cross Talkによる ポアソン統計からのずれ が見られる 3p.e adc count ratio HPK400b V=48.6 HPK400b V=47.8 ポアソン統計 1p.e ratioの 減少分から Cross Talk Rateを導く データ p.e# p.e# low voltage ではよく一致する

15 X-talk v.s bias V (２０℃) X- talk Rate X- talk Rate X-talk Rate Rus600d
Rus600c X- talk Rate 測定誤差の範囲内 で一致している Rus600b Rus600a by poisson law by noise rate bias voltage (V) X-talk Rate HPK100e HPK100f HPK1600a HPK100d HPK100a HPK400b bias voltage (V)

16 Photon Detection Efficiency measurement
(rough measurement yet) 移動ステージでMPPCをLEDに垂直な平面上で動かし シグナルが最大の点でデータを取った 同じsetupでMPPCを入れ替え、同様に測定を行い、 　それぞれを比較した 恒温槽　20℃ 1pixelが再dischargeしている可能性があり、その影響を除くため、pulse height を取った。（オシロで電圧値を読み取った） y blue LED 10ns MPPC x 移動ステージ 約40cm

17 Signal (p.e) v.s Noise Rate
signal height (p.e) A-3(100f) 5-63-1A-2(100d) A-3(100e) (400b) (1600a) RUSSIA14 (600a) (100a) noise rate (Hz)

18 noise rate (Hz) noise rate (Hz) HPK400b HPK100a Gain Gain

19 noise rate (Hz) noise rate (Hz) Gain Gain RUS600a HPK100f HPK100e
RUS600b RUS600c RUS600d HPK100d Gain Gain

20 Low bias Ｖでのふるまい (HPK100a)
MPPC のほぼ正面でblue LEDを光らせた。 　　　　　大光量が入射された状態 bias Vを上げていくと V=41.7 V=47.0 大きくなる Geiger dischargeが その上に見え始める 1mV/div 100ns/div V=10程度でも見られる。 Geiger dischargeだとは 考えにくい

21 pixelごとにbreak down voltageがばらついている可能性がある
no LED 100pixel中,数pixel だけがガイガーモード になっている？ LED 2V LED 3V pixelごとにbreak down voltageがばらついている可能性がある Geiger dischargeではない成分 LED 5V 100pixel 大きな光量を当てているのに数pixel分 のシグナルしか見られない some the others Geiger mode Avalanche mode

22 Unknown Behavior HPK製の4つのMPPCにおいて、以下のようなADC分布 が得られた ピクセルごとの Gainのばらつき
number of event HPK1-63-1A-22 by LED 可能性 ピクセルごとの　　Gainのばらつき ピクセル間の 　X-Talk 大きさの異なる2通りのピーク がみられた HPKに聞いたが、 原因は分からず adc count

23 Noise Rate, X-talk Rate v.s Gain
Noise Rate　<　1MHz noise rate (Hz) X-talk Rate < 35% 　～ cross talk Rate 0.4 HPK100f HPK400b 106 RUS600b HPK100a HPK100d 全てのpixelがGeiger modeになるbreakdown V を押さえて、適正動作電圧を決定しなければならない HPK100d HPK100e HPK100f HPK100e HPK400b RUS600b HPK100a 106 107 106 107 Gain Gain

24 Summary Future Plan HPK製、ロシア製のSiPMについて、シグナル、p.e ピークを確認した 基礎特性の評価を行った
Gain v.s Bias V Gain ～2×107 Noise Rate v.s Bias V Noise Rate < 1MHz Cross Talk Rate v.s Bias V X-talk Rate < 35% 　～ Future Plan Q.E, Pulse linearity の測定　　(PMT as Reference) 基礎特性,breakdown voltageを押さえた上で、適正動作電圧,そして条件に適したMPCを選ぶ

25 全てのpixelがGeiger modeになる breakdown Vを求めるためにpixel saturationが見える最小のBias Vを押さえる
問題点 pixelの再discharge 　　 パルス幅(recovery time)<LEDの発光時間 のとき起こりうる。saturationが見られない。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　pulse heightで見る　or 　　　　　　　　　　発光時間の短いレーザーを使う 大きな光量を当てたときに見えるGeiger modeでない成分。オシロでは判別が困難　 PDEが非常に小さくsaturationに十分な光量が当てられていない可能性

26 測定を進める上での問題点 Bias Vのモニタリング 　　テスターを直接あてるのと、銅線で数m引いて恒温槽の外でみるのとで0.5V程度差がでる

27 Supplement

28 Break down Voltage HPK100aの あるBias Vの領域に おいて半端なp.e数で saturateが起こる
100p.e saturation number of event HPK100aの あるBias Vの領域に おいて半端なp.e数で saturateが起こる HPK100a V=48.0 100pixel中30pixel だけがガイガーモード になっている？ 30p.e HPK100a V=47.2 LED full intensity 100pixel 30 70 Geiger mode Avalanche mode adc count pixelごとにbreak down voltageがばらついている可能性がある

29 HPK400a V=47.5 V=48.5 V=48.3 V=49.0 V=49.6 V=48.8 V=50.1 V=50.85

30 Pixel Saturation 時の信号波形
100ns 100ピクセルSiPMにLED (10ns)で大きな光量を入れ、 saturation signal をみた 5mV 500mV long tail その結果、pulse height はsaturateしたが、波形 のtailは光量とともに伸び ていき、chargeのsaturateは見られなかった 1 p.e signal saturation signal HPK A-3 (100pixel) また、saturation以下の波形においてもこのようなtail がみられた

31 Unknown Behavior Possibility that pixel’s gain are divided
to two pattern number of event such a behavior was seen in HPK’s 4 SiPMs currently we are researching this in detail ? p.e peak HPK100b adc count

32 SiPM ID (1600a) 1-21A-21 (1600b) 1-22-2A-22 (400a) ピクセル数 ピッチ(μm) Vb(V) シグナル幅（ns) quench抵抗(kΩ) 1600 25 79 5 135 55 400 50 10 180 Vr(V) Id(nA) 73.5 4.6 49.5 19 48.7 4.7 構造 type4 type1 (400b) (100a) 1-63-1A-22 (100b) 1-63-1A-23 (100c) 400 50 53 10 108 100 52 270 54 60 48.4 54 625 49.6 15 48.1 48 type2 type5 type1 5-63-1A-2 (100d) A-3 (100e) A- 3 (100f) 100 53 40 270 75 12 42 76 147 72.7 24.7 70.6 21.7 19.8 type3 type6

33 表の補足 シグナル幅以外はHPKさん提供のデータ シグナル幅は1p.eシグナルの波高の1/2の高さでの時間幅 Vbは暗電流が100μA流れたときの逆電圧 Vrは電圧0のときに出力電流10nAになるように光を入れて、その 状態で電圧を加えて出力電流が1000倍（10μA)になったときの電圧 IdはVrの電圧を印加した状態で光をオフにしたときに流れる暗電流

34 Noise Rate v.s Bias V (20℃) 106 noise rate (Hz) 105 104 103 102
HPK100a HPK400b 102 47 49 bias V (V) 0.5p.e threshold by pulse height よく一致している 0.5p.e threshold by charge 1.5p.e threshold by pulse height