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T2K Near Detector のための 光検出器 MPPC(SiPM) の性能評価 PowerPoint Presentation
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T2K Near Detector のための 光検出器 MPPC(SiPM) の性能評価

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T2K Near Detector のための 光検出器 MPPC(SiPM) の性能評価 - PowerPoint PPT Presentation


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T2K Near Detector のための 光検出器 MPPC(SiPM) の性能評価. Contents. Introduction MPPC Signal & p.e peak Gain, Noise Rate, Cross talk Measurement Summary. Fine Grained Detector in T2K Near Detector Requirement for the Photo Sensor About MPPC, Motivation. 京都大学大学院理学研究科 修士課程二年 高エネルギー研究室 信原 岳.

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Presentation Transcript
t2k near detector mppc sipm

T2K Near Detectorのための光検出器MPPC(SiPM)の性能評価

Contents

  • Introduction
  • MPPC Signal & p.e peak
  • Gain, Noise Rate, Cross talk Measurement
  • Summary
  • Fine Grained Detector in T2K Near Detector
  • Requirement for the Photo Sensor
  • About MPPC, Motivation

京都大学大学院理学研究科 修士課程二年

高エネルギー研究室 信原 岳

fine grained detector

Fine Grained Detector (FGD)

on-axis

off-axis

Fine Grained Detector

T2K Near Detector

中のFGDにおいて、

1~1.5mmφの

ファイバーを1本1本

個別に読み出す

光検出器

が必要である

requirement for the photo sensor
Requirement for the photo sensor

fine grained detector

光検出器に課せられる要求

  • コンパクトサイズ、安価
  • 読み出しボードの簡略化
  •     高ゲインが望ましい
  • 磁場に耐性がある
  • Dynamic Range ~200

大量の光ファイバーの狭いスペースでの読出

高磁場(0.2T)の環境下 (off-axis)

MIP~low energy proton

までの検出

これらの基礎的要求を満たす光検出器として、

MPPC(SiPM)がその候補として挙げられている

advantage of m ulti p ixel p hoton c ounter

5mm

compact size !

Advantage of Multi Pixel Photon Counter

PMT APD MPPC

high gain

low

bias V

Dynamic Range

~1600

low cost

is expected

MPPCはFGDからの要求にマッチしていることがわかる

よって、FGDでの使用

へむけ、MPPCの性能評価を行う

slide5

MPPCの動作原理

個々のAPD pixel

100~1600 APD pixels /mm2

1pixel

  • ガイガーモードで動作
  • フォトンが入射すれば、その
  • フォトン数によらず同一の
  • シグナルを出す
  • (Geiger discharge)

Quenching

Resister

MPPC

  • 全てのpixelのanalog sum
  • をシグナルとして出す
  • MPPC シグナルから、discharge
  • を起こしたpixel数がわかる

pixelがdischaregeしたときに

chargeがこの抵抗を流れることで

pixelにかかる電圧がbreakdown V

以下に降下し、dischargeが終了する

motivation
測定のMotivation

Motivation

MPPCがFGDにおいて最適な光検出器

であるかどうかを見極める

  • シグナル、p.eピークの観測
  • 基礎特性の評価

-- Gain, Noise Rate, Cross Talk

(Bias V 依存性について)

Pixel 100~1600

Bias V 34~74 (v)

受光面1mm2

Signal width 5~100ns

今回その第一段階として、HPK製

10個、ロシア製4個の試作品について以下の測定を行った

signal p e peak

raw signal

Signal & p.e peak

1p.e

2p.e

LEDによるシグナル

を確認した

HPK100a

3p.e

1mV/div

100ns/div

さらに、p.e ピークを見る

ことができた

Great Performance

for Photon Counting!

HPK100a

V=48.0

by blue LED

最大で45 p.e ピークまで

の観測に成功した

number of event

30p.e

ピーク毎の間隔は2%以内

で一致していた

pixelごとにGainが

よく揃っている

adc count

slide8

event number

0p.e

1p.e

adc count

Gain の測定

20ns pulse

gate generator

Blue LED

clock generator

  •  微小な光量でのMPPC
  •   シグナルを用いる
  • MPPC Gain はBias V,
  •  温度依存性を持つ
  • 測定は全て恒温槽内    で20℃で行った

gate

WLS

preamp

ADC

MPPC

charge sensitive

×10 ~100

calculate

MPPC gain

from

1p.e-0p.e count

slide9

Gain v.s Bias V (20℃)

Quenching Resister

シグナル幅=

Cpixel×Rquench

  • Gain=1×105~2×107
  • dG/dV =Cpixel /1.6×1019

known value

よく一致した

Pixelが持つcapacitance

×104

×103

Gain

Gain

HPK400b

HPK100a

47

48.4

47.5

49.5

bias voltage (V)

bias voltage (V)

slide10

Gain v.s Bias V

Gain

Rus600d

Rus600a

  • Gain=3×105~2×107
  • dG/dV depends on
  • Capacitance of a pixel
  • T=20℃

Rus600b

Rus600c

bias voltage (V)

Gain

Gain

HPK100f

HPK100a

HPK100d

number of pixel

HPK100e

HPK400b

HPK1600a

bias voltage (V)

bias voltage (V)

noise rate
Noise Rateの測定
  • MPPCはランダムな熱電子ノイズを持つ
  • (1p.eパルスが typical)
  •  測定は 光を当てていない状態で
  • 2通りの方法で thresholdを取って行った

パルス波高による

threshold

chargeによる

threshold

0.5p.e or 1.5p.e th

# event

0p.e

MPPC

output

adc

MPPC

output

discriminator

scaler

1p.e

random gate

no LED

no LED

0.5p.e

take

as noise

1p.e pulse

0.5p.e

adc count

noise rate v s bias v 20
Noise Rate v.s Bias V(20℃)

noise rate (Hz)

noise rate (Hz)

HPK100a

HPK400b

HPK100f

HPK100d

HPK100e

HPK1600a

bias voltage (V)

noise rate (Hz)

bias voltage (V)

0.5p.e threshold by pulse height

0.5p.e threshold by charge

よく一致している

RUS#14

RUS#23

RUS#20

RUS#22

1.5p.e threshold by pulse height

bias voltage (V)

cross talk rate measurement
Cross talk Rate measurement

いま、1つのピクセルがdischargeしたときに,他のピクセルのdischargeを引き起こす確率をcross talk Rateと呼ぶことにする

cross talk Rateを

  • 0.5p.e th,1.5p.e th のnoise rateの比較
  • LEDの光による,ADC分布とポアソン統計との比較

の2通りで測定する

cross talk rate
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

x talk v s bias v

HPK1600a

X-talk Rate

HPK100f

HPK100d

HPK100e

bias voltage (V)

X-talk v.s bias V (20℃)

Rus600d

X- talk

Rate

Rus600c

X- talk Rate

測定誤差の範囲内

で一致している

Rus600b

Rus600a

by poisson law

by noise rate

HPK100a

HPK400b

bias voltage (V)

photon detection efficiency measurement
Photon Detection Efficiency measurement

(rough measurement yet)

  • 移動ステージでMPPCをLEDに垂直な平面上で動かし
  • シグナルが最大の点でデータを取った
  • 同じsetupでMPPCを入れ替え、同様に測定を行い、
  •  それぞれを比較した

恒温槽 20℃

y

1pixelが再dischargeしている可能性があり、その影響を除くため、pulse height

を取った。(オシロで電圧値を読み取った)

blue LED

10ns

MPPC

x

移動ステージ

約40cm

signal p e v s noise rate
Signal (p.e) v.s Noise Rate

signal height (p.e)

21-53-2A-3(100f)

5-63-1A-2(100d)

21-53-1A-3(100e)

1-32-21(400b)

5-31-22(1600a)

RUSSIA14

(600a)

1-43-22(100a)

noise rate (Hz)

slide18

noise rate (Hz)

noise rate (Hz)

HPK400b

HPK100a

Gain

Gain

slide19

noise rate (Hz)

noise rate (Hz)

RUS600a

HPK100f

HPK100e

RUS600b

RUS600c

RUS600d

HPK100d

Gain

Gain

slide20

Low bias Vでのふるまい (HPK100a)

MPPC のほぼ正面でblue LEDを光らせた。

     大光量が入射された状態

bias Vを上げていくと

V=41.7

V=47.0

大きくなる

Geiger dischargeが

その上に見え始める

1mV/div

100ns/div

V=10程度でも見られる。

Geiger dischargeだとは

考えにくい

slide21

V=47.0

no LED

100pixel中,数pixel

だけがガイガーモード

になっている?

LED 2V

LED 3V

pixelごとにbreak down voltageがばらついている可能性がある

Geiger dischargeではない成分

LED 5V

100pixel

大きな光量を当てているのに数pixel分

のシグナルしか見られない

some

the others

Geiger mode

Avalanche mode

unknown behavior
Unknown Behavior

HPK製の4つのMPPCにおいて、以下のようなADC分布

が得られた

number of event

HPK1-63-1A-22

by LED

可能性

  • ピクセルごとの  Gainのばらつき
  • ピクセル間の
  • X-Talk

大きさの異なる2通りのピーク

がみられた

HPKに聞いたが、

原因は分からず

adc count

slide23

Noise Rate, X-talk Rate v.s Gain

Noise Rate<1MHz

noise rate (Hz)

X-talk Rate < 35%

 ~

cross talk Rate

0.4

HPK100f

HPK400b

106

RUS600b

HPK100a

HPK100d

全てのpixelがGeiger modeになるbreakdown V

を押さえて、適正動作電圧を決定しなければならない

HPK100d

HPK100e

HPK100f

HPK100e

HPK400b

RUS600b

HPK100a

106

107

106

107

Gain

Gain

summary
Summary
  • HPK製、ロシア製のSiPMについて、シグナル、p.e ピークを確認した
  • 基礎特性の評価を行った
  • Gain v.s Bias V Gain ~2×107
  • Noise Rate v.s Bias V Noise Rate < 1MHz
  • Cross Talk Rate v.s Bias V X-talk Rate < 35%

 ~

Future Plan

  • Q.E, Pulse linearity の測定  (PMT as Reference)
  • 基礎特性,breakdown voltageを押さえた上で、適正動作電圧,そして条件に適したMPCを選ぶ
  • ビームテスト@KEK
pixel geiger mode breakdown v pixel saturation bias v
全てのpixelがGeiger modeになるbreakdown Vを求めるためにpixel saturationが見える最小のBias Vを押さえる

問題点

  • pixelの再discharge

   パルス幅(recovery time)<LEDの発光時間 のとき起こりうる。saturationが見られない。                              pulse heightで見る or

          発光時間の短いレーザーを使う

  • 大きな光量を当てたときに見えるGeiger modeでない成分。オシロでは判別が困難 
  • PDEが非常に小さくsaturationに十分な光量が当てられていない可能性
slide26
測定を進める上での問題点
  • Bias Vのモニタリング

  テスターを直接あてるのと、銅線で数m引いて恒温槽の外でみるのとで0.5V程度差がでる

break down voltage
Break down Voltage

100p.e saturation

number of event

HPK100aの

あるBias Vの領域に

おいて半端なp.e数で

saturateが起こる

HPK100a

V=48.0

100pixel中30pixel

だけがガイガーモード

になっている?

30p.e

HPK100a

V=47.2

LED full intensity

100pixel

30

70

Geiger mode

Avalanche mode

adc count

pixelごとにbreak down

voltageがばらついている可能性がある

slide29

HPK400a

V=47.5

V=48.5

V=48.3

V=49.0

V=49.6

V=48.8

V=50.1

V=50.85

V=49.8

pixel saturation
Pixel Saturation 時の信号波形

100ns

100ピクセルSiPMにLED

(10ns)で大きな光量を入れ、

saturation signal

をみた

5mV

500mV

long tail

その結果、pulse height

はsaturateしたが、波形

のtailは光量とともに伸び

ていき、chargeのsaturateは見られなかった

1 p.e signal

saturation signal

HPK21-53-1A-3 (100pixel)

また、saturation以下の波形においてもこのようなtail

がみられた

unknown behavior1
Unknown Behavior
  • Possibility that pixel’s gain are divided
  • to two pattern

number of event

  • such a behavior
  • was seen in
  • HPK’s 4 SiPMs
  • currently we are
  • researching this in detail

HPK100b

? p.e peak

adc count

slide33

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
noise rate v s bias v 201
Noise Rate v.s Bias V(20℃)

106

noise rate (Hz)

105

104

103

HPK100a

HPK400b

102

47

49

bias V (V)

0.5p.e threshold by pulse height

よく一致している

0.5p.e threshold by charge

1.5p.e threshold by pulse height