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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

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. 2mm. 光検出器. 波長変換ファイバー. シンチレータ. 40mm. 10mm. ILC カロリメータ. 電磁カロリメータ.

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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

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  1. 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

  2. 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

  3. 2mm 光検出器 波長変換ファイバー シンチレータ 40mm 10mm ILC カロリメータ 電磁カロリメータ 吸収体：W • 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 吸収体W

  4. ~ 1 mm 25 mm Depletion region ~ 1 mm Substrate Si Resistor Guard ring n+ Bias voltage (70~80 V) p+ n+ Al conductor p- substrate p+ Multi-Pixel Photon Counter (MPPC) 　～　シリコン半導体光検出器

  5. MPPCの信号波形 p.e. : photoelectron 1 p.e. 2 p.e.

  6. 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

  7. 測定した小型プラスチックパッケージのMPPC 1600-pixel MPPC 1.3mm 4mm 3mm 1mm 1mm 1mm 1mm 受光面 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

  8. d 増倍率（Gain） S : ADCの分解能 = 0.25 pC/ADCcount A : Amp gain = 63 e : 素電荷 = 1.6 x10-19 C 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 %/℃

  9. V0の温度依存性 • V0は温度に対して線形に変化 →　DV = VBias – V0(T) に対して MPPCの特性を評価 DV0/DT = (56.0 ± 0.10)mV/oC C : pixel容量 V0: ガイガーモード開始電圧

  10. ノイズ : 熱により発生した電子・正孔対の増幅による信号 ノイズ発生率 0.5 p.e. Threshold 0.5 p.e. Threshold

  11. 温度、DV( = 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 Threshold 0.5 p.e. 30 oC 25 oC 20 oC 15 oC 10 oC 0 oC -20 oC ノイズ発生率

  12. 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 μ-n e-μ Pn(μ) = n! Cross-talk 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 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 ノイズ信号の平均値は 　　　~0.0３p.e.相当であった 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)

  13. 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 Cross-talk 30 oC 25 oC 20 oC 15 oC 10 oC 0 oC -20 oC

  14. μMPPC μPMT P.D.E. MPPC = P.D.E.PMT MPPC P.D.E.PMT= ( 量子効率 ) × ( 集収効率 ) 17 ( % ) ≈ LED WLSF :λ~ 500 nm 0.5 mm 径 ピンホール PMT 光子検出効率 (P.D.E.) ~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． Pedestal MPPC Pedestal PMT

  15. 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 光子検出効率 ~6.3%

  16. まとめ • 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

  17. Back-up

  18. 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±,p±等) .. 65% • 光子(g)… 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。 ee Z0H  qq, s  500 GeV

  19. 増倍率測定のSet-up MPPC読み出し回路

  20. ノイズ発生率測定のSet-up

  21. 光子検出効率測定のSet-up

  22. 光の広がり 広がりは0.55mm径

  23. Y-11の発光・吸収波長とその強度

  24. 光電子増倍管の量子効率

  25. 光電子増倍管のQ.Eの期待値

  26. ■ MPPC仕様（1mm□） 1600 400 100 HAMAMATSU

  27. 浜松ホトニクスによるP.D.Eの測定結果　　　　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

  28. 2006年10月のsample 小型プラスチックパッケージ 4mm 3 mm 1.3mm 3mm 1mm 1 x mm 1mm 1600-pixel MPPC 4 mm 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

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