リニアコライダー用カロリメータの読み出しに用いるマルチピクセル光検出器

MPPC の開発研究

200310339 須藤　裕司2007.2.9

ILC 計画(International Linear Collider)

重心系 1TeV e- e+ 衝突型線形加速器 Motivation

• Higgs 粒子の発見・精密測定• top quark の精密測定• 超対称性粒子のような標準理論を 超える物理の探索

ILC カロリメータ• シンチレータとタングステンの

サンプリング型カロリメータ• Z,W 粒子を 2 ジェットで再構成し

た質量により区別するための、高いエネルギー分解能が必要

• Particle Flow Algorithm 　 (PFA)を用いる

• ストリップシンチレータを交差するよう積層し、細分化

• 膨大なチャンネル数 (~1 千万 ch)• ~3T の磁場中で使用

• PMT に代わる小型・安価・磁場に強い光検出器が必要

電磁カロリメータ

吸収体： W

吸収体 W

10mm

2mm

40mmシンチレータ

波長変換ファイバー

光検出器

Multi-Pixel Photon Counter (MPPC)　～　シリコン半導体光検出器

~ 1 mm

~ 1 mm　 25 m

Depletion region

Substrate

p-

Guard ring n+

Al conductorp+

n+

Si ResistorBias voltage (70~80 V)

substrate p+

MPPC の信号波形

1 p.e.

2 p.e.

p.e. : photoelectron

ILC カロリメータにおけるMPPC への要求

• 増倍率 ~ 少なくとも 105

• ノイズ発生率 < 1MHz ( 閾値 =0.5 p.e.)• ピクセル間の Cross-talk が少ないこと• 光子検出効率 ~ 30 %• バイアス電圧、温度の変化に対する安定性

　 Dynamic range ~ 1000 p.e. まで応答が線形　センサーの性能の均一性　長期安定性　放射線耐性

1600-pixel MPPC

1mm

1m

m

4mm

パッケージ正面 横面

共同開発研究：筑波大学、浜松ホトニクス、 KEK 光センサーグループ、

他

1.3mm

受光面

測定した小型プラスチックパッケージの MPPC

3m

m

1mm

1mm

増倍率（ Gain ）

eA

dSGain

S : ADC の分解能 = 0.25 pC/ADCcountA : Amp gain = 63e : 素電荷 = 1.6 x10-19 C

)( oBias VVe

CGain

C : pixel 容量V0: ガイガーモード開始電圧• Gain は 105 ~ 106 あり要求をみたしている

•Vbias ~77V のとき温度による増倍率の変化は　 ~2 %/ ℃

d

V0 の温度依存性

• V0 は温度に対して線形に変化

→ 　 V = VBias – V0(T) に対して

　　 MPPC の特性を評価

V0/T = (56.0 ± 0.10) mV/oC

)( oBias VVe

CGain

C : pixel 容量V0: ガイガーモード開始電圧

ノイズ発生率 ノイズ : 熱により発生した電子・正孔対の増幅によ

る信号

0.5 p.e. Threshold

0.5 p.e. Threshold

ノイズ発生率

• 温度、 V( = Vbias – V0) が低いほどノイズ発生率は低い• 1MHz 以下の要求を満たしている

• 30 oC• 25 oC• 20 oC• 15 oC• 10 oC• 0 oC• -20 oC

Threshold

0.5 p.e.

Cross-talk • Cross-talk :

電子雪崩から生成された光子が隣のピクセルで新たに電子雪崩を起こす現象

• ノイズのうち、1.5p.e. の閾値を超える信号の　ほとんどは Cross-talk による

• 検出器中でノイズは一様に 発生するため、ノイズ発生確率はポアッソン統計に従う

Pn(μ) = μ-n e-μ

n!

•ポアッソン統計による 2p.e. 相当の ノイズ信号の発生確率は ~10-4

Obs >> Pn(μ)

•ノイズ信号の平均値は 　　　 ~0.0 ３ p.e. 相当であった

Cross-talk

• Cross-talk 率は温度にほとんど依存しない• ILC の要求を満たしている

• 30 oC• 25 oC• 20 oC• 15 oC• 10 oC• 0 oC• -20 oC

光子検出効率 (P.D.E.)

P.D.E.PMT = ( 量子効率 ) × ( 集収効率 )

17 ( % )≈

MPPC

PMT 0.5 mm 径 ピンホール

LED

:λ~ 500 nmWLSF

~ １光子の入射に対してそれを検出する確率MPPC の光子検出効率は、光電子増倍管との応答比から求めた．

P.D.E. MPPC =μMPPC

μPMT

P.D.E.PMT

Pedestal

Pedestal

MPPC

PMT

光子検出効率

~6.3%

• 最大 ~23% • 6.3% の不確かさは光電子増倍管の　　　　　　　　

　　　　　　光子検出効率の見積もりから来ている

• ILC カロリメータで光信号の読み出しに用いる MPPC の性能評価を行った

• 増倍率、ノイズ発生率、クロストーク率は　　　　 ILC の要求を満たしている

• 光子検出効率は要求に近い値である• 性能は温度に依存し、増倍率の不確かさを

~2% に抑えるためには ±1℃ の温度管理が必要　

• 応答線形性、磁場や放射線の影響の評価も含め、今後も開発研究を進める

まとめ

Back-up

Particle Flow Algorithm (PFA)• ILC では、ジェットのエネルギーを精度良く

測定することが重要。 PFA はそのための重要な方法。• ジェットを構成する粒子

– 荷電粒子 (K±,± 等 ) .. 65%– 光子 () 　　　 　 … 25%

– 中性ハドロン（ KL0 ） … 10%

• PFA … ジェット中の粒子に対して、– 荷電粒子は飛跡検出器で運動量を測定 ( カロリメータより精度がいいから )

– 光子と中性ハドロン粒子は カロリメータでエネルギーを測定 （飛跡検出器で測定できないので）

• そのためには、カロリメータ内で粒子を区別できなくてはならない。⇒ 非常に細かく分割されたカロリメータが必要。

ee Z0H qq, s 500 GeV

増倍率測定の Set-up

MPPC 読み出し回路

ノイズ発生率測定の Set-up

光子検出効率測定の Set-up

光の広がり

広がりは 0.55mm径

Y-11 の発光・吸収波長とその強度

光電子増倍管の量子効率

光電子増倍管の Q.E の期待値

■ MPPC 仕様（ 1mm□ ）1600 400 100

HAMAMATSU

浜松ホトニクスによる P.D.E の測定結果　　　　

※λ=400nm, including the cross-talk and after pulse

1600-pixel MPPC• 2006 年 10 月の sample• 小型プラスチックパッケージ

4 mm3

m

m

1 x mm1mm

1m

m

1.3mm

3m

m

4mm

受光面 パッケージ正面 横面

共同開発研究：浜松ホトニクス、 KEK 光センサーグループ、筑波大学、

他