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Aerogel RICH カウンターに向けた Geiger mode APD の基本性能評価

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Aerogel RICH カウンターに向けた Geiger mode APD の基本性能評価. 名古屋大学高エネルギー物理学研究室 修士課程1年 山岡美緒    . 目次. イントロダクション 測定結果(Gain Noise rate   時間分解能 光子検出効率) まとめと今後. 輻射体である Aerogel で粒子通過時チェレンコフ光を発生させる チェレンコフ光の開き角を測定することにより識別を行う. AerogelRICHの光検出器の候補 Geiger mode APD. Aerogel RICH の光検出器. 現在のBelle detector.

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Presentation Transcript
aerogel rich geiger mode apd

Aerogel RICHカウンターに向けたGeiger mode APD の基本性能評価

名古屋大学高エネルギー物理学研究室

修士課程1年

山岡美緒    

目次

イントロダクション

測定結果(Gain Noise rate

  時間分解能 光子検出効率)

まとめと今後

aerogel rich
輻射体であるAerogelで粒子通過時チェレンコフ光を発生させる輻射体であるAerogelで粒子通過時チェレンコフ光を発生させる

チェレンコフ光の開き角を測定することにより識別を行う

AerogelRICHの光検出器の候補

Geiger mode APD

Aerogel RICHの光検出器

現在のBelle detector

Aerogel Ring Imaging Cherenkov counter Belle detectorのendcap部分の

新型粒子識別装置として導入予定 P=4GeV/c π/K粒子の識別が可能

e-(8.0GeV/c)

B=1.5T

e+(3.5GeV/c)

slide3
光検出器に求められる性能

磁場中(1.5T)で使用可能

1光子が検出可能

高い光子検出効率をもつ

5mm角の位置分解能

RICHでの

Geiger mode APDの欠点

受光面が小さい

熱電子ノイズが多い

光検出器に求められる性能
  • Geiger mode APD

利点 

  • 磁場中でも使用可能    
  • Gain高い          
  • 光子検出効率が高い   

   長波長側も感度がある

  • エネルギー分解能が良い
  • 時間分解能が良い  
  • 動作電圧が低い   

ライトガイドの使用

入り口は5mm角

Geiger mode

APD

Time windowできってノイズをカット

slide4
RICHに向けた測定

Noise rate は1MHz程度が限界

Time windowを10nsとした場合100個につき1個のデバイスがノイズによる信号

PMTでは10個程度の信号でリングを作る

 Gainのバイアススキャン

Noise rateのバイアススキャン

noise rateが1MHzでのバイアスで1光子検出が可能か

 ②Noise rateの温度スキャン

 ③ 時間分解能

Time windowカットをかけるので時間分解能の確認

TOFの情報を使えれば性能の向上

 ④ 光子検出効率の波長依存性を測定

⑤ ライトガイドのシミュレーション

受光面5mm角のGeiger mode APD

が並んでいる

青リング チェレンコフリング

赤 チェレンコフ光による信号

緑 ノイズによる信号

slide5
測定したSample
  • 2つのGeiger mode APDについて測定を行った

受光面拡大

Sample

slide6
セットアップ

TDC

discri

Geiger mode

APD

clock

  • clock ・・・1kHz
  • AMP・・・HPK speed amp (C5594) (36dB)
  • laser ・・・ λ=636nm
  • TDC ・・・ resolution 25ps
  • ADC ・・・ resolution 0.25pc
  • 0.5peでThreshold

ADC

div

discri

funout

AMP

レーザー   

Geiger mode

APD

NDフィルター   

Black box

Vsource

Sample

レーザー

NDフィルター

slide7
Gain 6.6×105

S/N 7.7

Gain 1.8×106

S/N 12.4

①Gain 測定

Vbias=71.5V, 23℃, noise~1.0MHz

Vbias=49.5V, 21℃, noise~1.4MHz

MPPC

MRS-APD

1peσ=2.0

1peσ=3.6

2pe

2pe

pedestal

Gamp=AMPのGain

エネルギー分解能が非常によい

     Gainも高い

1光子検出可能

noise rate
① MPPCのNoise rateとGainのバイアススキャン
  • Gain=c×(Vbias-Vbreak )/e

Gain

MPPC

  • Noise rate1MHzのバイアス-71.5V

Gain= 1.8×106

    • Over voltage (Vbias-Vbreak )=-1.2V

MPPC

Vbreak=-70.3(V)

C=251(fF)

mrs apd noise rate
① MRS-APDのNoise rateとGainのバイアススキャン
  • Gain=c×(Vbias-Vbreak )/e

Gain

MRS-APD

MRS-APD

  • Noise rate1MHzでのバイアス-48.7V

Gain=5.25×105

    • Over voltage (Vbias-Vbreak )=-3.2V

Vbreak=-45.5(V)

C=26.2(fF)

Noise rate1MHzでは1光子検出可能なGainとエネルギー分解能

必要ならばバイアス電圧下げることも可能

noise rate1
②Noise rate の温度依存性1

恒温槽を用いて-50℃~20℃でのnoise rateを測定

Noiserateの温度依存性のセットアップ 

Vbreakが温度依存

Over voltage (Vbias-Vbreak )を一定にしてnoise rateを測定

恒温槽

Vsource

Clock

Geiger node APD

温度計

AMP

Discri

Scaler

PC

noise rate 2
②Noise rate の温度依存性2

MRS-APD

MPPC

  • 0℃では室温の20~30%になった

MRS-APD MPPC

~300kHz@ 0℃ ~200kHz  @ 0℃

Geiger mode APDが並んでいる

青リング チェレンコフリング

赤 チェレンコフ光による信号

緑 ノイズによる信号

(deg.)

slide12
③MPPCの時間分解能

Gain測定と同じセットアップ

波長の異なる2つのレーザーを照射した

形もほぼ同じでありσも十分小さい

Time windowをかけるのに十分な時間分解能

636nm

410nm

Sample MPPC

Bias -71.5V

Threshold 0.5pe

Only Single photon data

σ~103ps

σ~110ps

slide13
③MRS-APDの時間分解能

Time windowをかけるのに十分な時間分解能をもつ

TDC分布のshapeが違っている →時間分解能の波長依存性がある?

636nm

410nm

Sample MRS-APD

Bias -49.5V

Only Single photon data

σ~140ps

Tail ~0.5ns

σ~70ps

長いTail~4ns

slide14
時間分解能の波長依存性の原因

g

e-

e-

e-

e-

e-

e-

h

h

h

h

h

h

n+

p+

p-

g

This is plot of SiPM, not MRS-APDreference: ICFA Instrum.Bull.23:28-41,2001

  • Geiger regionで電子ホール対を作る

すぐにGeiger放電が起こる→早いTiming

  • Drift regionで電子ホール対を作る

Geiger regionまでドリフト →遅いTiming

Red laserσ~70ps Tail ~4ns

Geiger regionDrift region両方で吸収

Blue laserσ~140ps Tail ~0.5ns

ほぼDrift regionのみで吸収

MRS-APDとMPPCの違い  →内部構造の違い?

slide15
④QE×εgeom測定のセットアップ
  • モノクロメーター340nm<l<900nm
  • フィルター  高次光をカット
  • レンズ  光をGeiger mode APD

の受光面サイズに絞る

  • QEのわかっているPDをreferenceとする
  • PDとGeiger mode APDの電流値を比較し

絶対QEを測定

今回はバイアス電圧をかけずに測定した

QE =電子ホール対ができる確率

=有感領域の割合

=ガイガー放電が起こる確率

Black box

MPPC

slide16
MRS-APD

Max 45% @600nm

11% @900nm

MPPC

Max 51% @600nm

21% @900nm

PDEバイアス電圧によっては変化する?

εGeigerはλ依存性があるのではないか?

④QE×εgeom測定結果

バイアルカリ

長波長側の感度はPMTなどと比べて高い

バイアスをかけたPDE測定

をする必要がある

slide17
⑤ライトガイドのシミュレーション

π  P=4GeV/c

n=1.046 Aerogel通過時

チェレンコフ光放出角

ライトガイドの使用

入り口は5mm角

Geiger mode

APD

光が0.3radで

ライトガイドに入射

受光面1mm角の場合

入り口は5mm角

受光面2mm角の場合

入り口は5mm角

長さ12mm

長さ12mm

CE~95%

CE~37%

受光面が1mm角では使えない

受光面が2mm角以上の大きさのデバイスが必要

slide18
測定結果のまとめ

Geiger mode APDでGain、ノイズレート、時間分解能、QE×εgeomを測定した

slide19
① Noise rate1MHz のバイアス電圧で1光子が検出可能なGainとエネルギー分解能をもつ

② 0℃まで温度を下げるとNoise rateは室温の20~30%程度にまで減る

③ 時間分解能<<Time window

④ 長波長側にも高い光子検出感度が期待できる

⑤ ライトガイドの使用には2mm角以上の受光面があればCEは95%

ライトガイドの研究開発

まとめ

今後

バイアス電圧をかけてPDE測定

slide21
ノイズレートの見積もり
  • 半径6.2cmのリング
  • 10万個デバイスが並ぶ
  • noiserate1MHz 

Gate10ns

    • 0.01回/gate
slide22
波形

amp x65

1ns

10mV

1pe

slide23
レーザー自体の発光のジッターの検証
  • MCP-PMT(BURLE製)を用いてレーザー自体のジッターを調べた。
    • MCP-PMT(BURLE製)の時間分解能は40ps程度

410nm

636nm

レーザーによる違いは見られなかった

MRS-APDのデバイス自体に波長依存性がある?

over voitage
Over voitageの決定方法
  • Over voltageの決定方法
    • PulseHeightのバイアススキャンを行う
    • 横軸との交点をVbreakとした
slide25
恒温槽
  • メーカー ESPEC
  • 型番 PU-3KT(プラチナスKシリーズ)
slide26
セットアップの確からしさ
  • すでにQEが測定されているPMTについて今回のセットアップで絶対QEを測定
  • 短波長側はQEが電流値が非常に揺らいでいた為エラーが大きくなっている
slide27
検出光子数の見積もり

RICHで使用する際の検出光子数の見積もり

MRS-APDMax QE(×egeom): 45±2%@600nm

光検出器がPMTの場合の1.8倍の

光子数が見込まれる

slide28
PDE測定
  • バイアス電圧をかけて測定を行う

MPPC

Pin hole

V