大光量Long Pulseに対するMPPCの性能評価

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1 大光量Long Pulseに対するMPPCの性能評価
2015/07/07 栁田　沙緒里

2 β線の飛跡に沿って電離した電子を電場でELCCまでひっぱり、エネルギーを測定
AXEL実験 ０νββ探索のための高圧XeガスTPCを製作中 なだれ増幅 指数関数的に増幅 ->揺らぎが大きい Electroluminescence β線の飛跡に沿って電離した電子を電場でELCCまでひっぱり、エネルギーを測定 比例的に増幅 ->揺らぎが小さい

3 EL光の典型的な信号 ･cellの中で高電場をかけることで Electroluminescenceをおこす
検出器全体で一様にする ・電極間でEL光を発生する典型的 な時間→5μs 5μs

4 MPPC 入射photon数は総pixel数に近づくほど 出力信号は飽和する 受光面サイズが3mm角だと ～10^3photonまで線形
3mm角MPPC素子 pitch数 pixel数 回復時間（1mm角）　 25μ 14000 20ns 50μ 3600 50ns 100μ 900 ns 受光面サイズ3×3mm 　

5 MPPCの問題点 1つのMPPCに最大で、5μsの間に5×104photon 瞬間最大光量は1000/50ns 3mm角素子のpixel数
pitch (mm) #pixel 回復時間（1mm角）　 10 90000 ₋ 25 14000 20ns 50 3600 50ns シミュレーション 回復時間より長い時間の間に大光量が入る場合、 MPPCのlinearityはどうなっているか

6 Set Up PMT MPPCC MPPC 15cm LED バイアス電圧用ローパスフィルタ PMT LED

7 読み出し 25μm pitch ch1 FADC MPPC Amp LED ch2 PMT Amp Pulse generatoe gate
Divider Amp LED ch2 PMT Amp Pulse generatoe gate

8 信号波形 波形比較 PMTとMPPCの信号比 信号波形を足しあげ、 波形の積分値を規格化
時間[s] 黒　MPPC 赤　PMT 5μs PMT ～120mV MPPC 波形比較 時間[s] MPPC/PMT ～700mV LED 時間[s] PMTとMPPCの信号比 信号波形を足しあげ、 波形の積分値を規格化 LEDにpulse generatorでつくった矩形波の電圧制御のため 光センサーで見たときに完全な矩形波になっていない 9

9 Ampのリニアリティ Pulse generatoe Amp後の波形信号積分値 Amp出力2V Divider×2 Amp gate ch1
FADC Amp前の波形信号積分値 Ampは2Vまで線形を保っている

10 MPPCの線形性 これが正しいとするならば、全然リニアリティが足りていない 50μ pitch 25μ pitch 目標 4×104までは
linearityありそう 5×104までは linearityありそう y=2.044 x y=2.675x PMTの信号の積分値 PMTの信号の積分値 これが正しいとするならば、全然リニアリティが足りていない

11 回復時間 y = 1/｛（1/ax）+τ/（Npixel*5us）｝ 上記の式でfitting
50μ pitch 25μ pitch MPPC絶対光量 MPPC絶対光量 目標 y=2.044 x y=2.675x PMTの信号の積分値 PMTの信号の積分値 y = 1/｛（1/ax）+τ/（Npixel*5us）｝ 上記の式でfitting 回復時間はそれぞれ46.5ns,89.3nsでオーダーは一致

12 まとめ AXEL実験での最大入射光量の見積もり ELを使って増幅し、5μsの間に約5x104個のphotonを MPPCで検出
MPPCのlinearity測定 25μ pitchでは5×104phtons/5μs まで、50μ pitchでは 4×104phtons/5μs までリニアリティを保つ

13 Back up

14 Fittingの式の計算 25μ pitch y’＝ax y’ y *Pixelあたりの単位時間光量
k[/pixel・s] = 全光量/（[Npixel]*[5us]） *前のpulseがきてから t s後の確率分布 k exp（-kt） *平均gain g = g0/(1+kτ) *回復時間τ τ=(g0/g - 1)/k 25μ pitch MPPC絶対光量 y’＝ax ＊g0：測定値から求めたゲイン 　 g：平均ゲイン 　 y/g = y’/g0 　 と思ってgを算出 ＊総光量 A = y’*g = y*g0 *fittingで使う式 g = g0/(1+kτ)に上記の値を代入して整理する y = 1/｛（1/ax）+τ/（Npixel*5us）｝ y’ y PMTの信号の積分値

15 ダークの波形 50μ pitch 25μ pitch 40ns 40ns

16 6/4　50upitch 全ての平均gain算出

17 5/27　25upitch 全ての平均gainで算出