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半導体検出器ＭＰＰＣの 実用化への進展

半導体検出器ＭＰＰＣの 実用化への進展. 中平　武 (KEK) KEK 測定器開発室　光センサーＧの皆様. ＭＰＰＣ. MPPC の動作原理・特徴 MPPC のＲ＆Ｄの進展 中性子線による放射線損傷の測定 目的：高エネルギー実験で汎用的につかえるか？ 今後の展望. Si Resistor. V bias. p +. 1 mm. - V bias. p - -epi. . Guard ring. . Subst. n ++. APD. Substrate. output. PPD (Pixelated Photon Detector).

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半導体検出器ＭＰＰＣの 実用化への進展

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Presentation Transcript

  1. 半導体検出器ＭＰＰＣの実用化への進展 中平　武 (KEK) KEK 測定器開発室　光センサーＧの皆様

  2. ＭＰＰＣ • MPPCの動作原理・特徴 • MPPCのＲ＆Ｄの進展 • 中性子線による放射線損傷の測定 • 目的：高エネルギー実験で汎用的につかえるか？ • 今後の展望

  3. Si Resistor Vbias p+ 1 mm -Vbias p--epi  Guard ring  Subst. n++ APD Substrate output PPD (Pixelated Photon Detector) • ＰＰＤ: 多数の”ガイガーモードAPD+抵抗”が並列接続 • MPPC: 浜松ホトニクスでの製品名 • 個々のPixelの動作 • 光子入射e-h対生成Geigerモードで増幅(105~106)抵抗に電流が流れてAPDの電圧降下Geiger放電停止 • 光量によらず一定波高のパルスを出力 (“binary device”) • 光量が十分小さければ、1pixelに1光子しか来ない • Geiger放電を起こしたpixel数 ＝ 入射光子数 が成り立つ • 素子の出力は、各ピクセルの“Wired-OR” (アナログ１出力) • 出力信号の大きさ Geiger放電を起こしたpixel数 = 光子数 • ナイーブにはダイナミックレンジ(最大光子数) < ピクセル数だが…. • ：磁場中で動作,低動作電圧（~70V）,高検出効率 • ：素子サイズが小さい, ダークノイズレート（数百ｋＨｚ）,放射線耐性？ 出力信号 電荷分布 1p.e. 2p.e. pedestal 3p.e. 4p.e.  電荷(波高)が光子数で、高S/N比で量子化されている: “擬デジタル信号”

  4. eGeiger Q.E. egeom MPPCの性能のパラメータ gain 電荷分布 ゲイン 1p.e. • ゲイン • ブレイクダウン電圧:V0 • ガイガー放電を起こすのに必要な電圧 • Vo自体は温度依存性がある. (~50mV/K) • ノイズを除く特性は、V  Vbias – V0の関数 • 光子検出効率(PDE) PDE = egeom Q.E.  egeiger • egeom: 有感領域の幾何的な効率 • Q.E.: 光子によるe-h対生成の確率 • egeiger: e-h対がGeiger放電を起こす確率 • ノイズレート・暗電流 • 熱励起によるe-h対生成が、1光子と同じ信号を出力 • クロストーク • なだれ増幅の際に副次的に発生する光子が、隣のピクセルに検出される • 1光子が2光子以上として検出される • アフターパルス • 信号を出したピクセルが再度信号パルスを出す. • 時間分解能 • リカバリータイム • 信号を出したピクセルが、再度信号を出せるようになるまでの時間 Vbias pedestal V0 バイアス電圧

  5. MPPCのR&Dの進展 • T2K実験向けにマス・プロダクション開始 • 15,000ch (~Mar. 2008) 1.31.3mm2 • それに先立ち、300個での特性評価。ノイズ以外の特性は、よく揃っている • ILCカロリーメータのビームテストでの使用 • ~1600pixel : ~5000個 • 入射光子数がピクセル数を超えても出力が飽和しない各ピクセルのリカバリー時間<<発光時間 なので、1つのピクセルが複数回 光子を検出 • ＭＰＰＣ出力信号の時間特性の理解 • リカバリー時間の測定: ~4ns (1600pixel) • アフターパルスの寄与 >> クロストーク • Belle Aerogel-RICH向けR&D • 33mm2の性能評価 • 有効面積の拡大のための光学系(ライトガイド) • 放射線耐性 • , p, n, 重粒子線(C) • 低温(LN2)での動作

  6. 中性子照射試験 • 東大原子炉（”弥生”＠東海村) • 平均エネルギー: 0.8~1.5MeV • Flux: 1.5109 n/cm2/Wh原子炉の出力と暴露時間で照射量を調整 • 照射期間 • 1回目(5/17,18） • 0.8~3.3108 n/cm2 • 1011 n/cm2, 1012 n/cm2, 1013 n/cm2 • 2回目(11/15,16) • 3108 n/cm2 ~ 31011 n/cm2 炉心 T. Nakamura, T. Nakadaira (KEK), K. Miyabayashi, T.Hirai(Nara WU), T.Matsumura(NDA), S.Tsunoda (TSU), H.Yamasaki, T.Ikuno(Tsukuba),T.Nakagawa, I.Saito(U-tokyo)

  7. 放射線損傷後の波形 1.6×108 [n/cm2]照射後のパルス波形（100pixel） 1.00×1011 [n/cm2]　照射後のパルス波形（100pixel） 100pixel: 1.01010 [n/cm2] 以下 400pixel: 1.01011 [n/cm2] 以下 100pixel: 3.01010 [n/cm2] 以上 400pixel: 1.01011 [n/cm2] 以上 照射前と同様にパルスの波高が離散的。 パルスの波高分布が連続的光子計数は不可能に. 照射直後の測定では、1010[n/cm2](100pixel) 1011[n/cm2](400pixel)を境に変化がみられる. ※照射中にバイアス電圧がかかっていたか否かで違いは見られなかった.

  8. アニーリング • 照射量が1010~1011[n/cm2]場合、照射直後には光子計数できなかったものが、1週間後の測定では波高分別できた. MPPCの特性を照射時から経時変化も測定 400pixel, 3×1010（n/m^2）,Vop, 11/24 11/15

  9. 暗電流(I-V特性) • 損傷後のサンプルでは、I-V特性が顕著に違う. • ガンマ線による損傷の場合と異なる • 赤外線写真で観察した暗電流の分布にも相違が見られる 60Co g-ray PD07 T. Matsubara (TIT) 3x10 11 n/cm2 未照射70.92V,5uA

  10. 1011 n/cm2以下での影響：ノイズレート ４００pixel １００pixel • 照射量に伴ってノイズレートが顕著に増加する。 • 熱雑音が増えているのか、アフターパルスが増えているのかの測定が今後の課題。(後者の場合、リニアリティに影響が出る) preliminary preliminary

  11. 1011 n/cm2以下での損傷 ４００pixel １００pixel preliminary • ブレークダウン電圧には、特に大きな変化は見られない preliminary

  12. ゲイン vs. DV preliminary ゲインカーブに変化は見られないが、ノイズレート・暗電流の増加 のため実質的に得られるゲインは低下する。

  13. ゲイン vs. DV 400ピクセルのサンプルでは、1010 n/cm2以上で ゲインの低下が見られる

  14. まとめと今後の展望 • ＭＰＰＣが高エネルギー実験で汎用的に使えるかどうかを確かめるため、中性子線による放射線損傷を測定しました。 • 現行製品では、1011 n/cm2 あたりが限界か？ • 1011 n/cm2以下では、ノイズレートが顕著に増加 • ＰＤＥが変化していないかどうか？ アフターパルスが増えているか?の測定が今後の課題

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