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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

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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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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  1. 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

  2. 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)

  3. 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

  4. 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 ① 　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

  5. 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

  6. 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

  7. 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

  8. 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)

  9. 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

  10. 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

  11. 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.）

  12. 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

  13. 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

  14. 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？

  15. 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

  16. 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

  17. 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

  18. 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

  19. 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

  20. Ｂａｃｋ　ｕｐ

  21. 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

  22. 波形 amp x65 1ns 10mV 1pe

  23. 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？

  24. 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

  25. 恒温槽 • メーカー　ＥＳＰＥＣ • 型番 ＰＵ－３ＫＴ（プラチナスＫシリーズ）

  26. 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

  27. 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

  28. ＰＤＥ測定 • バイアス電圧をかけて測定を行う MPPC Pin hole V

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