新型光検出器MPPCの開発 修士課程二年 高エネルギー研究室　信原　岳.

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1 新型光検出器MPPCの開発 修士課程二年 高エネルギー研究室　信原　岳

2 Contents Introduction (MPPC,T2K前置検出器) MPPCの基礎特性評価 （ゲイン、ノイズレート、検出効率)
　（ゲイン、ノイズレート、検出効率) レーザーによる基本動作テスト ビームによる実用的テスト Summary

3 MPPC (Multi Pixel Photon Counter)とは?
近年、開発が盛んになっている 　　　新型光検出器である まだ開発途上の段階であり製品化、実用化には至っていない。 しかし、 コンパクトである 磁場内でも使用できる 安価であることが期待される 低いバイアス電圧（～70V）で動作する 光電子増倍管と同程度のゲイン及び検出効率を有する ことから、その性能に注目が集まっている。 現在、浜松ホトニクス(HPK）、ロシアのCPTA社などで主に開発が進められており、 2009年開始予定のT2Kニュートリノ振動実験において使用が計画されている

4 T2K実験前置検出器 MPPCがT2Kでの使用に適している MPPCの実用化の可能性を詳しく評価するため、HPK製の試作品を使って,
前置検出器がもつ条件　　　　光検出器に対する要請 大量の光ファイバーの狭い 　　　　スペースでの読み出し 　　　　　　　　　コンパクトで安価 高磁場(0.2T)の環境下 　　　(PMTは使用できない) 　　　　　　　　磁場内でも動作が可能 シンチレータからの ファイバー読み出し を行うための 光検出器が必要 MPPCがT2Kでの使用に適している MPPCの実用化の可能性を詳しく評価するため、HPK製の試作品を使って, Fine Grained Detector T2Kで使用するための定量的な要請を満たしているかどうかの評価 を行った。

5 MPPCの動作原理 MPPCシグナルの電荷量分布を取ると フォトンを検出したピクセル数ごとに きれいに分かれたピークが見られる 1mm 構造
　APDピクセルが配置される 1ピクセル ガイガーモードで動作する、すなわち 全ピクセルからのシグナルの総和がMPPCシグナルとなる。 　フォトンを検出すれば、その数によらず 　一定の電荷Qpixelを放出する。 　増幅率 (Qpixel / e ) は～106 2 LEDからの光を 入射させたときの シグナルの 電荷量分布 3 イベント数 1 4 MPPCシグナルの電荷量分布を取ると フォトンを検出したピクセル数ごとに きれいに分かれたピークが見られる 5 6 MPPCは優れたフォトンカウンティング能力を持つ 電荷量

6 性能評価の流れ T2Kからの基本的要請 1. ゲイン>5x105 、ノイズレート<1MHz、検出効率>15%
バイアス電圧、温度依存性を測定 基礎的な動作確認 2. 各々のピクセルが正しく動作しているか レーザーテストの結果から評価 T2Kからの応用的要請 3. シンチ＋ファイバー読み出しにおいて、 MIP(最小イオン化粒子)に対して5p.e.以上の光量、さらにp/πの識別 ビームテストの結果から評価 これらの測定は、HPK内ではされていない。よって今回の評価は、 T2KだけでなくこれからのMPPCの開発においても貴重な情報となる。 これから、HPK Aという100ピクセルのサンプルの評価結果を示す

7 ゲインの測定 T2Kからの要請を全ての 動作領域でみたしている 0p.e. バイアス電圧(Vbias)、温度(T)特性を測定した。 測定方法
LED MPPC 0p.e. バイアス電圧(Vbias)、温度(T)特性を測定した。 シグナル 測定方法 1p.e. 1p.e. 青色の光によるシグナルの電荷量分布 における1p.e.－0p.e.から、 　ゲイン　= Qpixel /　e　を求めた 2p.e. 2p.e. 電荷量分布 3p.e. 3p.e. 電荷量 ピクセルの簡単な動作モデルからの予想 25℃ 　グラフの傾き　= Cpixel e = シグナル幅 e×Rpixel ゲイン-Vbiasはリニアな相関がある。 25℃ 20℃ 20℃ ゲイン　(x106) 15℃ 15℃ これは測定結果と良く一致した。 わかって いる値 ゲインの変化は ΔV = 0.1V　に対し7.5% ΔT = 1℃　に対し5.0%　となった T2Kの制限 T2Kからの要請を全ての 動作領域でみたしている バイアス電圧 (V)

8 ノイズレートの測定 広い範囲で T2Kからの要請をみたしている 熱電子ノイズ（大半が1p.e.パルス) MPPCが持つ熱電子ノイズ
ピクセルは熱電子によっても、フォトンによるものと同じQpixel の電荷を放出する。 ランダムに起こるという点以外はフォトンによるQpixel と区別できない LED光による シグナル 測定方法 25℃ ○　0.5p.e. threshold 光を当てていない状態でのMPPCの信号に対し、0.5p.e.と1.5p.e.の波高で thresholdをかけて、カウントレートを取る 20℃ 15℃ ノイズレート (MHz) 1MHz ノイズレートの変化は ΔV = 1.5V 　で5倍 ΔT = 10℃　で1.5倍 となった 1桁小さくなる ▽　1.5p.e. threshold 広い範囲で T2Kからの要請をみたしている バイアス電圧 (V)

9 検出効率の測定 高バイアス電圧で T2Kからの要請をみたしている 20 10 測定のsetup 20℃で、バイアス電圧特性を見た。 一様光
測定方法 PMTとMPPCとの得られた光量(p.e.) の比から、MPPCの検出効率を出した PMTに、MPPCと同じ 大きさの入射窓を作る MPPCの検出効率　 ＝ PMT　(p.e.) MPPC　(p.e.) ×PMTの検出効率 (20%) 20 MPPCの検出効率　(%) T2Kの制限 高バイアス電圧で T2Kからの要請をみたしている バイアス電圧を上げる と3倍程度大きくなる 10 バイアス電圧 (V)

10 性能評価の流れ MPPCの基礎特性評価 （ゲイン、ノイズレート、検出効率) 2. レーザーによる基本動作テスト
　（ゲイン、ノイズレート、検出効率) 2. レーザーによる基本動作テスト 3. ビームによる実用的テスト 広いVbias, Tの領域で要請を満たすことがわかった ( T=20 ℃のとき、Vbias=70.8～71.8)

11 レーザーでピクセルごとに光を入射し、 MPPCのピクセルごとの応答を調べる
レーザーを使ったテスト 　レーザーでピクセルごとに光を入射し、 　MPPCのピクセルごとの応答を調べる 動機 全ピクセルきちんと動作しているか。製品開発においても重要な情報。 100μm 波長: 825nm 時間幅: 50ps 顕微鏡の画像 顕微鏡 1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 レーザー源 レーザースポットサイズ 　は10～20μm MPPC の測定を行った 移動ステージ 1μm ピッチ (x , y)

12 1ピクセル内での検出効率分布 真ん中の60x60μm2 に平坦な領域をもっていることがわかる 1ピクセル
受光面 70x70μm 1ピクセル １ピクセル内でレーザーを２次元スキャンし、ポイントごとの検出効率を調べた 10μm ピッチ 100μm レーザー 真ん中の60x60μm2 に平坦な領域をもっていることがわかる ポイントごとの 検出効率 計 100 ポイント　スキャン 1p.e. 電荷量分布 @ 1 ポイント 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.

13 ピクセルごとの応答のばらつき ピクセルごとの応答が非常に よく揃っていることが確認された ピクセルごとのばらつき ピクセルごとのばらつき
ピクセルごとにレーザーをスキャンし、 ピクセルごとのゲイン、検出効率を調べた ピクセルごとに 中心部分に当てる ピクセルごとの応答が非常に よく揃っていることが確認された 計 100　ピクセル　スキャン １ピクセルの 相対ゲイン １ピクセルの 相対検出効率 ピクセルごとのばらつき =３．６％ (r.m.s./mean) ピクセルごとのばらつき =２．５％ (r.m.s./mean) y y x 1mm 1mm x 1mm 1mm

14 性能評価の流れ MPPCの基礎特性評価 （ゲイン、ノイズレート、検出効率) 2. レーザーによる基本動作テスト
　（ゲイン、ノイズレート、検出効率) 2. レーザーによる基本動作テスト 3. ビームによる実用的テスト

15 ビームによるシンチ＋ファイバー読み出しのテスト
動機 前置検出器と同じ読み出し条件で、MPPCはT2Kの要請を満たしているか。 MIPに対して5p.e.以上の光量 pとπの識別ができる setup 0.5～1.4GeV/c proton & pion ～100 event/spill beam size 1x1cm2 4ch全ての ビームによるMPPC シグナルを見ることが できた ビーム 64ch MAPMT (as reference) MPPC 4 layers シンチレータ1.3x2.5x50 cm3 ファイバー1mmΦ

16 ビームテストの結果 pとπを識別可能である #event 十分な光量が得られている MPPC ファイバー 受光面 ギャップが存在
T2Kの基本要請を満たすVbiasの領域 で、MIPにより5～14p.e. の光量が得られた。　　(MAPMTでは18.0 p.e.) これは、ファイバーと受光面間の光量のロス(約50%) を考えると検出効率の測定と一致する結果である。 運動量ごとのp,πによる光量分布 MIPにより得られた光量分布 1.2GeV/c 0.9GeV/c 0.8GeV/c #event p π Mean = 13.3p.e. pとπを識別可能である 0.7GeV/c 0.6GeV/c 0.5GeV/c p.e. 十分な光量が得られている p.e. p.e. p.e.

17 Summary 新型光検出器MPPCの動作を確認し、性能評価の方法を確立した。
性能を評価したサンプルの測定結果 　ゲイン ～3x106 , ノイズレート ～1MHz ,検出効率～26% 　シンチ＋ファイバー読み出し（実機と同じ条件）で、 　　　 MIPにより、～14 p.e.の光量が得られた 　　　 pとπを識別できた レーザーテストにより、ピクセルごとに応答がよく揃って 　 いることが示された (T2Kの基本的要請を満たすバイアス電圧において） T2Kの要請を満たす点 　100ピクセルではダイナミックレンジが不足している。 　　T2Kには200ピクセル以上が必要である T2Kの要請を満たさない点 最近、400ピクセルでT2Kの要請を満たすサンプルが確認された 今回の評価結果により、 MPPCがT2K実験で十分に使用可能な性能を持つことが示された。

18 Supplement

19 HPK製MPPCにおけるファイバーのalignment
Y X Z HPK製MPPCの受光面とパッケージの位置関係 0.8mm Z方向 : 透明カバーと受光面に隙間が存在 　　　　　受光面‐ファイバー間距離は0.8mmとなる X,Y方向　: サンプルごとにばらつきがある 　　サンプルごとにファイバーの位置合わせを行った X、Y方向位置合わせ 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%,Z方向の隙間により約60％の光量のロスが存在 ファイバーから40°で一様に光が広がっているとした場合の値 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

20 0.7 GeV π #event Mean = 6.5 p.e. ADC カウント

21 HPK1-43 30p.e

22 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

23 クロストーク確率 バイアス電圧　(V) クロストーク確率 バイアス電圧 (V)

24 p/π Separation π p MPPC (PDE70%) MAPMT (PDE100%) MIPによるシグナル
Mean r.m.s. MPPC 13.3p.e. 6.2p.e. MAPMT 18.0p.e. 6.6p.e MIPによるシグナル のMean,r.m.s. 1.2GeV 1.0GeV 0.9GeV 1.2GeV 1.0GeV 0.9GeV π p 0.8GeV 0.8GeV 0.7GeV 0.6GeV 0.7GeV 0.6GeV 0.5GeV 0.5GeV MPPC (PDE70%) MAPMT (PDE100%)

25 SiPM ID (1600a) 1-21A-21 (1600b) 1-22-2A-2 (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

26 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