t2k 実験に向けた新型光検出器 mppc の多量サンプルテスト
DESCRIPTION
T2K 実験に向けた新型光検出器 MPPC の多量サンプルテスト. 日本物理学会 秋季大会 ( 北海道大学 ) 2007/9/22(SAT) 五味慎一 中家剛 横山将志 川向裕之 大谷将士 永井直樹 ( 京都大学 ) 中平武 村上武 ( KEK ). Introduction. T2K experiment. 50Gev Synchrotron. Far detector. T2K 実験は 2009 年にスタートする次世代長基線ニュートリノ振動実験である。 T2K 実験の前置検出器 では総数で約 60000 個の MPPC を使用する 。 - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
T2K 実験に向けた新型光検出器MPPC の多量サンプルテスト
日本物理学会 秋季大会 ( 北海道大学 )
2007/9/22(SAT)五味慎一 中家剛
横山将志 川向裕之大谷将士 永井直樹 ( 京都大学 )
中平武 村上武 ( KEK )
Off-axis detector
On-axis detector
50Gev Synchrotron
Far detector
T2K experimentIntroduction
• T2K 実験は 2009 年にスタートする次世代長基線ニュートリノ振動実験である。
• T2K 実験の前置検出器では総数で約 60000 個の MPPCを使用する。
• 今年度中に数万のオーダーの多量生産を行う。この規模での実用化は世界初。
2007/9/22 (SAT) 日本物理学会 秋季大会 2
測定の概要について今測定の目的は 2 つ。
1. 300 個の MPPC(S10362-11-050CK 400 ピクセル 1×1mm2) についてその基礎特性を調べ、個体差を測定する。
2. T2K 実験に用いる数万単位の MPPC について測定するためのテストシステムを確立する。
2007/9/22 (SAT) 3 日本物理学会 秋季大会
• ゲイン• 光子検出効率 (PDE)• ノイズレート• クロストーク + アフターパルス
LED
測定のセットアップ
MPPC + Connector各ファイバー ・・・
×32・・・
Trip-t VMEPC
WLS ファイバー
Trip-t という ASIC を用い、 32 個のMPPC の同時測定システムの構築を行い、実際に使用し測定を行った。
2007/9/22 (SAT) 4 日本物理学会 秋季大会
LED からの光を散らす
ブレイクダウン電圧 (VBD) & オーバーボルテージ(ΔV)
Bias VoltageVbd
)V-(V e
C
e
Q GAIN bd
バイアス電圧
ブレイクダウン電圧
オーバーボルテージ
ゲインの測定からブレイクダウン電圧 (Vbd) を決定でき、 ΔV が求まる。
Vbd ΔV
bdBias V-V V 2007/9/22 (SAT) 5 日本物理学会 秋季大会
同じバイアスで比較するとばらつきは非常に大きく見える。
同じ ΔV で比較する。
×10^3
ゲイン 測定結果 ( 300 個 )
Bias voltage [V]
×10^3
ゲインのばらつきは、ブレイクダウン電圧のばらつきに因るものである。
1×10^6
ΔV [V]
V e
C GAIN
5×10^5
Gain ・・・ 7.0 ~ 8.5×10^5
2007/9/22 (SAT) 6 日本物理学会 秋季大会
Gain : 400pixel 20 300samples℃ Gain DV : 400pixel 20 300samples℃
1×10^6
5×10^5
Gain ( ΔV = 1.5V ) 300samples
Gain
±6%
Capacitance : 400pixel 300samples VBD 20 : 400pixel 300samples℃
キャパシタンスとブレイクダウン電圧の分布図
ブレイクダウン電圧のばらつきは1 V 以内にほとんどのサンプルが収まっている。
キャパシタンス [ pF ] ブレイクダウン電圧 (20 ) [V]℃
±5%
~ 1V
~ 2V
2007/9/22 (SAT) 7 日本物理学会 秋季大会
PDE : 400pixel 20 300samples℃ PDE DV : 400pixel 20 300samples℃
2×PMT
PDE 測定結果 ( 300 個 )
3×PMT
Bias voltage [V]
PDE ・・・ 1.5 ~ 2.2×PMT
2007/9/22 (SAT) 8 日本物理学会 秋季大会
ΔV [V]
×PMT ×PMT
同じ ΔV で比較した時、 PDE のばらつきは RMS で約10% である。 ( ただしこの値はコネクターの再現性なども含む。 )
2×PMT
3×PMT
PDE ( ΔV = 1.5V ) 300samples
PDE [ ×PMT ]
±10%
ノイズレート ・ X-Talk + A.P. の測定
pedestal event の個数
ポアソン分布を仮定
MPPC Gate=800nsec光源なし ( ランダム
ゲート )
クロストーク・アフターパルスの影響を全く含まない値
• 計算された 1PE の個数 = P(1)
・・・クロストーク・アフターパルスにより両者は等しくならない。
1p.e2p.e ・・・
• 計算された 2PE の個数 = P(2)
2007/9/22 (SAT) 9 日本物理学会 秋季大会
pedestal
ノイズの定義にこの値を用い、クロストーク・アフターパルスの影響を取り除いた。
両者の比較から、クロストーク + アフターパルスを定義する。
ノイズレート 測定結果 ( 300 個 )
500kHz
250kHz
Noise ・・・ 200 ~450kHz
Noise rate [kHz] : 400pixel 20 300samples℃
Noise rate [kHz] DV : 400pixel 20 300samples℃
2007/9/22 (SAT) 10 日本物理学会 秋季大会
Bias voltage [V] ΔV [V]
ノイズのばらつきは RMS で約 18% と非常に大きい。
500kHz
250kHz
Noise rate ( ΔV = 2V ) 300samples
Noise rate [ kHz ]
±18%
Noise rate vs. Breakdown voltage
Breakdown voltage [V]ノイズレートはブレイクダウン電圧と関係があるようだが、詳しいことは不明である。
50%
30%
Cross-talk + after pulse rate ・・・ 27~33%
Cross-talk + After pulse: 400pixel 20 300samples℃
Cross-talk + After pulse DV : 400pixel 20 300samples℃
クロストーク + アフターパルス 測定結果 ( 300 個 )
Bias voltage [V] ΔV [V]
同じ ΔV で比較した時、クロストーク + アフターパルスのばらつきは RMS で約 10% である。
50%
30%
Cross-talk + After pulse Prob.
Cross-talk + After pulse ( ΔV = 2V ) 300samples
±10%
300 サンプルの個体差300 個の MPPC(S10362-11-050CK 400pixel) について・・・
2007/9/22 (SAT) 12 日本物理学会 秋季大会
index 測定結果 RMS
ゲイン 7.6×105 (ΔV=1.5V) 6%
光子検出効率 (PDE) 1.9×PMT (ΔV=1.5V) 10%
ノイズレート 200~450kHz (ΔV=2.0V) 18% ( ばらつき大 )
Cross-Talk + After Pulse 30% (ΔV=2.0V) 10%
ゲイン・ PDE ・ X-talk + A.P. ノイズレート個体差は数 % 程度 個体差が RMS で 18% と大き
い。 T2K 実験からの要請に適っている。
13
• ΔV で比較した時、 300 個の MPPC の、ノイズを除いた 3 つの基礎特性は非常に良く揃っている。
• ゲイン・ PDE ・クロストーク + アフターパルスの 3 つの基礎特性は、 ΔV のみによってスケールし、 ΔV に対する振舞いも同じである。
Summary
2007/9/22 (SAT) 日本物理学会 秋季大会
• Trip-t ASIC チップを用いた 32 個同時測定可能なテストシステムの構築に成功した。
3 つの特性のばらつきは、ブレイクダウン電圧のばらつきに由来している。
Back up
T2K 実験MAIN GOAL
• ν μ → ν e 振動モードの発見• ν μ → ν τ 振動モードの精密測定
TokaiKamioka2007/9/22 (SAT) 15 日本物理学会 秋季大会
SK
2. Off-axis 検出器は、 0.2T の磁場中に置かれる。
1. 前置検出器の大部分は細かく分割されたシンチレーターと波長変換ファイバーとで構成される。そのため全読み出しチャンネルの総数は約 60000 という膨大な数になる。
T2K 実験での MPPC
Target
求められる光検出器は…Proton beam
MPPC はこれらの要請に応えることができる
Far detector Near detector
1. サイズが小さく、また安価な検出器
2. 磁場に対する安定性
Multi-Pixel Photon Counter ( MPPC )• Multi-Pixel Photon Counter ( = MPPC ) は、浜松ホトニ
クス (HPK) で開発された新型の半導体光検出器である。
• MPPC は、 100~1600 個の小さな Avalanche photo diodes( APD ) が 1mm×1mm の有感領域内に敷き詰められた構造をしている。
MPPC6mm
MPPC 有感領域 400pixel
1pixel50μm×50μm
2007/9/22 (SAT) 17 日本物理学会 秋季大会
MPPC の動作原理• 各 APD ピクセルは Geiger モードで動作する。ゲイ
ンはその定義式から、 ブレイクダウン電圧 ( Vbd ) 以上でバイアス電圧に比例して上昇する。
VVbd
)V-(V e
C
e
Q GAIN bd
Extrapolated to GAIN=0
• ガイガーモードでは1ピクセルから出力されるチャージ量 Q はそのピクセルが検出した光子の数に因らず一定になる。すなわち、光が入ったか・入らなかったかだけが判る。
2007/9/22 (SAT) 18 日本物理学会 秋季大会
6mm
5mm
MPPC character• 1 つの MPPC からの出力は各 APD ピクセルか
らの出力チャージ Q の合計値になる。また、各 APD ピクセルの性能は非常に良く揃っている。
• MPPC の持つ利点– Compact– 磁場に影響を受けずに安定に動作する。–高ゲイン ( ~106 ), 低いバイアス電圧
( ~70V )–高い光子検出効率– 安価
MPPC は非常に良い光子数分解能を有している
2007/9/22 (SAT) 19 日本物理学会 秋季大会
• MPPC は非常に良いフォトンカウンティング能力を有していて、図で示すように 1PE ・ 2PE ・・・のシグナルを検出できる。
MPPC output signal
MPPC raw signal
1PE2PE3PE
Pedestal
1PE
2PE
3PE
Pedestal
今回我々がテストした MPPC サンプル ( 型番: S10362-11-100MOD 400pixel) の基礎特性について報告する。
2007/9/22 (SAT) 20 日本物理学会 秋季大会
MPPC Histogram
ゲインの測定
e
)Q(pedestal - Q(1p.e.) GAIN
MPPC のゲインの定義式
1PE のピークと Pedestal のピークとの差からゲインを定義する。
1PE
2PE
3PE
Pedestal
測定方法 • 微弱な光をMPPC で観測する。• ADC 分布からゲインを算出する。
WLSファイ
バー
MPPC
ADC distribution of MPPC
2007/9/22 (SAT) 21 日本物理学会 秋季大会
MPPC
PMT
( reference )
同じ光量
0.789PEPDE = 1.96
1.550.789
=1.96
プラスチックコネクター
光子検出効率 (PDE) の測定
p.e.(PMT)p.e.(MPPC)PDE
( p.e. = # of photo electron )
同じだけの光量を 2 つの光検出器、 PMT ・ MPPC で観測する。 MPPC で得られた光電子量の、 PMT で得られた光電子量との比をとり、その値を「相対 PDE」として定義する。
2007/9/22 (SAT) 22 日本物理学会 秋季大会
1.55PE
ノイズレートの測定
1n Time
P(n)n
events ofnumber Length Gate
) P(2)2 P(1)(1 rate Noise
・・・
pedestal event の個数
ポアソン分布を仮定
MPPC Gate=800nsec光源なし ( ランダム
ゲート )
クロストーク・アフターパルスの影響を全く含まない値
• 計算された 1PE の個数 = P(1)
・・・
クロストーク・アフターパルスの影響があるために両者は等しくならない。
1p.e2p.e ・・・
• 計算された 2PE の個数 = P(2)
2007/9/22 (SAT) 23 日本物理学会 秋季大会
pedestal
クロストーク & アフターパルスの測定
Pedestal の個数は cross-talk & A.P. の影響を受けない
ポアソン分布を仮定
1PE の個数 : N1PE
( estimated by pedestal )||
X-Talk & A.P. 含まない
1PE の個数 : N1PE ( measurement )
||X-Talk & A.P. 含む
測定光源なし
Estimated 1PE,
Measured 1PE,Estimated PE,1 Rate
pulseAfter
&
Talk Cross
N
NN-
今回の測定では ADC 分布を用いているために、アフターパルスの影響とクロストークの影響とを区別することができない。『1 PE シグナルが >2 PE シグナルに見える確率』をここでは見る。
X-Talk& A.P. レートの定義式
この両者間の差が、クロストーク・アフターパルスの影響を表している。
2007/9/22 (SAT) 24
MPPC サンプルの基礎特性S10362-11-050CK ・・・ 400pixel sampleS10362-11-100CK ・・・ 100pixel sample
• ゲイン• 光子検出効率 (PDE)• ノイズレート• クロストーク+アフターパルス
2007/9/22 (SAT) 25 日本物理学会 秋季大会
ゲイン 400pixel 測定結果
ゲインの測定結果から、ブレイクダウン電圧 (VBD) ・MPPC の 1 ピクセルのキャパシタンスが求められる。
1×10^6
5×10^5
2007/9/22 (SAT) 26 日本物理学会 秋季大会
×10^3×10^3
Gain 400pixel : ΔVGain 400pixel
PDE 400pixel 測定結果
• MPPC は PMT の約 2倍の PDE を有する。
Relative PDE 400pixel : ΔVRelative PDE 400pixel
2×PMT
1×PMT
2007/9/22 (SAT) 27 日本物理学会 秋季大会
500kHz
250kHz
1p.e noise
2p.e noise
• 1PE ノイズレートは、 T2K 実験からの要請(<1MHz) よりも十分低い。
ノイズレート 400pixel 測定結果Noise rate [kHz] 400pixel : ΔVNoise rate [kHz] 400pixel
2007/9/22 (SAT) 28 日本物理学会 秋季大会
クロストーク 400pixel 測定結果Cross-talk prob. 400pixel : ΔVCross-talk prob. 400pixel
2007/9/22 (SAT) 29 日本物理学会 秋季大会
50%
25%
• ここでは、 (2PE Noise)/(1PE Noise) を「クロストーク」と定義している。
50%
25%
クロストーク + アフターパルス 400pixel 測定結果
• クロストーク + アフターパルスレートは、 ΔV のみの関数である。
Cross-talk + After pulse Probability 400pixel : ΔV
Cross-talk + After pulse Probability 400pixel
2007/9/22 (SAT) 30 日本物理学会 秋季大会
ゲイン 100pixel 測定結果
ゲインの測定結果から、ブレイクダウン電圧 (VBD) ・MPPC の 1 ピクセルのキャパシタンスが求められる。
3×10^6
1.5×10^6
2007/9/22 (SAT) 31 日本物理学会 秋季大会
×10^3×10^3
Gain 100pixel : ΔVGain 100pixel
PDE 100pixel 測定結果
• MPPC は PMT の 2倍強の PDE を有する。
Relative PDE 100pixel : ΔVRelative PDE 100pixel
2×PMT
1×PMT
2007/9/22 (SAT) 32 日本物理学会 秋季大会
500kHz
250kHz
1p.e noise
2p.e noise
• 1PE ノイズレートは、 T2K 実験からの要請(<1MHz) よりも十分低い。
ノイズレート 100pixel 測定結果Noise rate [kHz] 100pixel : ΔVNoise rate [kHz] 100pixel
2007/9/22 (SAT) 33 日本物理学会 秋季大会
クロストーク 100pixel 測定結果Cross-talk prob. 100pixel : ΔVCross-talk prob. 100pixel
2007/9/22 (SAT) 34 日本物理学会 秋季大会
60%
30%
• ここでは、 (2PE Noise)/(1PE Noise) を「クロストーク」と定義している。
60%
30%
クロストーク + アフターパルス 100pixel 測定結果
• クロストーク + アフターパルスレートは、 ΔV のみの関数である。
Cross-talk + After pulse Probability 100pixel : ΔV
Cross-talk + After pulse Probability 100pixel
2007/9/22 (SAT) 35 日本物理学会 秋季大会
MPPC表面とファイバー端面とはコネクターを用いて接続される。
セットアップ
光源
WLS ファイバー
MPPC × 32( プラスチックコネクター
付き )
Trip-t チップ
2007/9/22 (SAT) 36 日本物理学会 秋季大会
光源
コネクタークッキーと WLS ファイ
バー
LED
LED からの光を散らすMPPC とコネクター・基板
• 今回の測定に使用した光源– 青 LED×1 からの光を 2枚のプラ
スチック板でぼかして使用した。– LED からの光は WLS ファイバー
を用いて MPPC 感受領域へ移送される。
2007/9/22 (SAT) 37 日本物理学会 秋季大会
プラスチックコネクター (MPPC= ファイバー )
ファイバーハウジング
MPPC ハウジング
コネクター試作品
MPPC とファイバーとの接続に用いるプラスチックコネクターを設計・作成した。
ファイバーハウジング
MPPC ハウジング
2007/9/22 (SAT) 38 日本物理学会 秋季大会
接続
Trip-t chip
FNAL で開発された ASIC チップ D0 実験での使用実績 T2K 実験での使用が予定されている Input 32ch アナログシグナル (- )Output 1. ディスクリシグナル ( 各
32ch)2. Input シグナルに比例した
アナログシグナル3. Input シグナルとゲートと
の時間差に比例したアナログシグナル
:
:
Trip-t ・・・ TRIgger and Pipeline with Timing
128 ピン
2007/9/22 (SAT) 39 日本物理学会 秋季大会
190mm
65mm
190mm
155mm±5VIN
MPPC Hole 5.3φ( 32 Mount )
Bias control
Bias control
Trip-t チップテストボード
• このテストボードは、 32 個の MPPC を同時に読み出せる。
2007/9/22 (SAT) 40 日本物理学会 秋季大会