新型光検出器MPPCと その読み出しエレクトロニクスの開発

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1 新型光検出器MPPCと その読み出しエレクトロニクスの開発
田口　誠 高エネルギー研究室

2 内容 T2K実験 Multi-Pixel Photon Counters (MPPC) 基礎特性 レーザーテスト 読み出しエレクトロニクス
まとめ

3 T2K 実験 出現事象の探索 消失事象の精密測定 目的 J-PARC Super-Kamiokande

4 T2K前置検出器の光検出器 総チャンネル数 ~60,000 コンパクト、低価格 0.2Tの磁場  磁場への耐性 粒子検出効率
Magnet 0.2T magnet シンチレータ＋波長変換ファイバーによる読み出し target 総チャンネル数 ~60,000 コンパクト、低価格 0.2Tの磁場  磁場への耐性 粒子検出効率 光量が大きいこと T2K実験に向け新型光検出器MPPCの開発を行った

5 Multi-Pixel Photon Counter(MPPC)
多数のガイガーモードAPDピクセルからなる　　　　半導体フォトンカウンティング素子 2年前から浜松ホトニクス社と共同で開発 PMT MPPC サイズ ~10cm 5mm 磁場での使用 × ○ ゲイン ~107 ~106 光子検出効率 ~15% 30~45% 優れた特性

6 1ピクセルの動作原理 電流 Vbias Vbias： Vbd ： ブレイクダウン電圧 = C x(Vbias-Vbd) = ~106 x e
クエンチング抵抗 ガイガー放電 リニアモード ガイガーモード クエンチング Vbias フォトン ガイガーモードAPD ~100fF ~1V 1ピクセルが出すチャージ Q Vbias： 印加電圧 Vbd ：　　　　　　　ブレイクダウン電圧 充電 　 = C x(Vbias-Vbd) = ~106 x e

7 MPPCの動作原理 各ピクセルではフォトンが入ったか入らなかったかだけがわかる MPPCの出力は各ピクセルからの出力の和
入射フォトンの数に比例したシグナル 1フォトン 2フォトン 3フォトン

8 基礎特性の評価 MPPCの基礎特性がT2Kの要求を満たすか？ 動機 今回詳しく紹介する（20℃のデータ)
テストサンプル・・最新(2006年10月)の 100, 400 ピクセル テスト項目 ・・・　生シグナル ゲイン 光子検出効率 ノイズレート クロストークレート リニアリティ リカバリータイム 今回詳しく紹介する（20℃のデータ)

9 生シグナル 優れたフォトンカウンティング能力 60ns LED MPPC 出力 オシロスコープ、ADC フォトン 0フォトン 0フォトン
1フォトン 1フォトン 2フォトン 60ns 2フォトン. 優れたフォトンカウンティング能力

10 ゲイン 3000 1000 ゲイン= Q/e Q 印加電圧(V) 1.0x106 ~ 3.0x106
0フォトン 3000 １フォトン Q 1000 ゲイン= Q/e 印加電圧(V) 1.0x106 ~ 3.0x106 印加電圧に対しリニアQ = C (Vbias-Vbd)

11 光子検出効率 3 2 印加電圧(V) 緑色の光に対しPMTの2~3倍の光子検出効率 セットアップ PMT LED ファイバー MPPC
1mmφスリット MPPCの出力 光子検出効率(PMTとの相対値) = 印加電圧(V) PMTの出力 緑色の光に対しPMTの2~3倍の光子検出効率

12 ノイズレート 500 100 (kHz) 印加電圧(V) MPPCは光を入れなくても熱によるノイズを出す
光を入れない状態で、0.5フォトン,1.5フォトンの閾値を設定し、それを超えるパルスの数を数える (kHz) 0.5フォトン 1フォトン 2フォトン 1.5フォトン 500 0.5フォトン閾値ノイズレート <500kHz 1.5フォトン閾値ノイズレート <100kHz 1フォトンノイズが典型的 0.5フォトン閾値 100 1.5フォトン閾値 印加電圧(V)

13 レーザーテスト よくそろっている 動機 ピクセル内、ピクセルごとの応答にばらつきが生じていないか？ 製品開発において重要な情報
テスト項目:ピクセル内、ごとのゲイン、光子検出効率の一様性 セットアップ 2um 緑色　　　　レーザー RMS/mean=2.0% MPPC 10umピッチ よくそろっている 移動ステージ

14 MPPC読み出しエレクトロニクス 動機 Trip-tチップ: フェルミ研で開発 チャンネル数 321
T2K実験では~60,000個のMPPCを用いる コンパクト、マルチチャンネルの読み出しエレキが必要 パラレル シリアル ch1 ch2 ch1 ch32 14mm ch2 Trip-t Trip-tチップ: フェルミ研で開発 t チャンネル数　321 ch32

15 Trip-tを用いたMPPC読み出し X4 4chのMPPCの同時読み出しができた 予定
フォトンピーク X4 LED 4chのMPPCの同時読み出しができた 予定 32chのボードを製作し、MPPCの大量サンプルテストを行う

16 まとめ MPPCはT2Kで使用可能 T2Kの要求を満たすサンプルができている MPPCの多チャンネル読み出しエレクトロニクスの開発に成功
100ピクセル 20℃ T2K実験に向けMPPCの開発を行った ゲイン 0.5フォトン閾値ノイズ 1.5フォトン閾値ノイズ 光子　　　　　検出効率 性能 1.0~3.0　X106 100~500kHz 10~100kHz 30~45% 要求 ~106 <1000kHz <50kHz >~15% T2Kの要求を満たすサンプルができている MPPCの多チャンネル読み出しエレクトロニクスの開発に成功 MPPCはT2Kで使用可能

17 backup

18 クロストーク fobserved festimated ガイガー放電中に発生したフォトンが隣のピクセルのガイガー放電を引き起こすこと
クロストークレート = 1- festimated festimated : ペデスタルの割合からポワッソン統計を仮定して求めた1p.e.の割合 fobserved : 測定された1p.e.の割合

19 クロストークレート 15度 20度 25度 100ピクセル 400ピクセル Vbias Vbias

20 ゲイン 15度 20度 25度 100ピクセル 400ピクセル Vbias Vbias

21 ノイズレート 100ピクセル 400ピクセル (kHz) (kHz) Vbias Vbias 15度 20度 25度 0.5p.e. th.

22 15度 光子検出効率 20度 25度 400ピクセル 100ピクセル Vbias Vbias

23 リニアリティ セットアップ MPPCの入射光量をPMTでモニター 予想曲線 紙 MPPC LED
Nfired : ガイガー放電を起こしたピクセル数 N0 : ピクセル数 c : クロストークレート x : 入射p.e.数 PMT

24 100ピクセル 400ピクセル 予想からのずれ Nfired +10% データ -10% 予想 X Nfired +20% データ 予想

25 リカバリータイム:クエンチングにかかる時間
100ピクセル 400ピクセル リカバリータイム < 100ns

26 1ピクセル内の検出効率の分布 0.5p.e.以上のイベント数 検出効率= 全イベント数 RMS/mean=2.0%

27 1ピクセル内のクロストークレートの分布 ピクセルのエッジの方が大きい 1.5p.e以上のイベント数 クロストークレート =

28 ピクセルごとのクロストークレートの分布 端のピクセルの方が低い

29 T2Kからの要求 項目 要求 どこから？ 面積 1.2x1.2mm2 1mmΦのファイバー ピクセル数 100/400
100p.e.までのダイナミックレンジ ゲイン ~106 エレクトロニクス ノイズレート <1MHz アクシデンタルヒット 光子検出効率 >15% 光量 時間分解能. 2-3ns

30 Trip-t読み出し原理 Trip-t出力 MPPC 入力 (ch1) プレアンプintegrate プレアンプ出力 マルチプレクサ出力 1
1 2 33 Trip-t出力 ch1

31 MPPC読み出しセットアップ FADC -5V 4m フラットケーブル - + Trip-t オペアンプ +5V MPPC
コントロールシグナル LED AD 変換 トリガー トリガー Digital wave generator

32 実機タイプエレクトロニクス 16 MPPCs 16 MPPCs 64MPPC/per board FPGAによるコントロール 温度モニター
バイアス電圧　　　　　微調整用DAC Trip-t Trip-t FPGA ADC ADC Trip-t Trip-t 16MPPCs 16MPPCs