新型光検出器 MPPC の開発

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) • 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 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. 1mm MPPCの動作原理 構造 　受光面に1mm2当たり～103 の 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 0 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、HPK21-53-1Aという100ピクセルのサンプルの評価結果を示す

7. MPPC ゲイン-Vbiasはリニアな相関がある。 Cpixel シグナル幅 　グラフの傾き　= = e e×Rpixel LED ゲインの測定 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℃ 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. 熱電子ノイズ（大半が1p.e.パルス) ノイズレートの測定 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. MPPC(p.e.) PMT(p.e.) 測定のsetup 検出効率の測定 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 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. 動機 レーザーを使ったテスト 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. 受光面 70x70μm 1ピクセル内での検出効率分布 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 3. ビームによる実用的テスト

15. 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 ビームによるシンチ＋ファイバー読み出しのテスト 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. MPPC ファイバー ギャップが存在 受光面 ビームテストの結果 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. Y Z X HPK製MPPCにおけるファイバーのalignment 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 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%)

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