【 MPPC for T2K experiment 】

S.Gomi, T.Nakaya,

M.Yokoyama, M.Taguchi, (Kyoto University)

T.Nakadaira, K.Yoshimura, (KEK)

Apr.10.2007

for KEK-DTP photon sensor group

2

Contents

• Basic performance

• Readout electronics

• Connection with fiber

• Introduction

Improvement of performance• ノイズレート• ゲイン• 光子検出効率 (PDE)

The device-by-device variation of performance• クロストークレート

3

T2K 実験

MAIN MAIN GOALGOAL

• νμ→ντ ニュートリノ振動の精密測定

•νμ→νe ニュートリノ振動の世界初の観測

4

T2K 実験での MPPC の役割

• 前置検出器のほとんどの部分では、シンチレーター +WLS ファイバーで読み出しを行う。ファイバーを遠方まで引くのが困難な為、内部に置きたい。

コンパクト• Off Axis 検出器は、 0.2T の磁場中に

置かれる。 磁場中で動作

target

SK

MPPCMPPC はこれらの要請に応えはこれらの要請に応えることができる。ることができる。

他にも利点として・・・・　高い光子検出効

率・　優れたフォトンカウンティング能力・　低いバイアス電圧・高いゲイン

【 Basic performance 】

Improvement of performance• ノイズレート• ゲイン• 光子検出効率 (PDE)

The device-by-device variation of performance• クロストークレート

6

improvement of gain 横軸 = ノイズレート

• 時系列にしたがって、その性能が高まっていっている。

05.Apr05.Apr

05.Apr05.Apr

06.Jan06.Jan

06.Jan06.Jan

06.Oct06.Oct06.Oct06.Oct

06.Oct06.Oct

0 0.5 1 1.5 0 0.5 1ノイズ [MHz] ノイズ

[MHz]青青 緑緑 赤赤 ( ( 桃色 桃色 ))

T2K(~1×10^6)

1×10^6

Gain 400pixelGain 100pixel

20℃

T2K(<1MHz)

7

improvement of PDE 横軸 = ノイズ

• 『進歩』が最もはっきり目に見える形で現れている。最新のサンプルでは、 PMT の 3 倍程の PDE を誇る。

05.Apr05.Apr05.Apr05.Apr

06.Jan06.Jan

06.Jan06.Jan06.Oct06.Oct

06.Oct06.Oct06.Oct06.Oct

0 0.5 1 0 0.5 1ノイズ [MHz] ノイズ

[MHz]青青 緑緑 赤赤 ( ( 桃色 桃色 ))

T2K(~PMT)

2

PMT

2

0

Relative PDE 400pixelRelative PDE 100pixel

20℃

T2K(<1MHz)

8

improvement of cross-talk rate 横軸 = ノイズ

• クロストークも、上がっていってしまっている。これは、有感領域の向上に伴うものなのか、それとも内的な要因が有るのか･･･。

05.Apr05.Apr

05.Apr05.Apr

06.Jan06.Jan

06.Jan06.Jan

06.Oct06.Oct 06.Oct06.Oct

06.Oct06.Oct

0 0.5 1 1.5 0 0.5 1ノイズ [MHz] ノイズ

[MHz]青青 緑緑 赤赤 ( ( 桃色 桃色 ))

50%50%

Cross-talk rate 400pixelCross-talk rate 100pixel

20℃

T2K(<1MHz)

T2K (5% 以下 )

9

100 ピクセル geometrical efficiency

80μm

100μm

geometrical efficiency = 64%

向上している。

efficiency= 0.5p.e. 以上のevent / total event

ＫＥＫレーザー測定系を用いて測定。前回のサンプルでは、約 46%と低い値を示し、ＨＰＫさんにその向上を依頼していた。

10

Gain V : 400pixel 20 100samples℃Gain V : 400pixel 20 100samples℃Gain : 400pixel 20 100samples℃Gain : 400pixel 20 100samples℃

~7×10^5

~10×10^5

×10^3 ×10^3

ゲイン測定結果 (100 サンプル )

MPPC のゲインは ΔV のみの関数であり、 100 個のサンプルに関してその関数の形は同じである。

T2K (~1×10^6)

69 70 71 0.5 1 1.5 2 2.5バイアス電圧 (V) ΔV (V)

11

PDE : 400pixel 20 100samples℃PDE : 400pixel 20 100samples℃ PDE V : 400pixel 20 100samples℃PDE V : 400pixel 20 100samples℃

~1.37

~1.80

PDE 測定結果 (100 サンプル )

MPPC の PDE は ΔV のみの関数であり、 100 個のサンプルに関してその関数の形は同じである。

T2K (~PMT)

69 70 71 0.5 1 1.5 2 2.5バイアス電圧 (V) ΔV (V)

12

Noise rate [kHz] : 20 100samples℃Noise rate [kHz] : 20 100samples℃ Noise rate [kHz] V : 20 100samples℃Noise rate [kHz] V : 20 100samples℃

~190kHz

~365kHz

ノイズ測定結果 (100 サンプル )

MPPC のノイズは、同じ ΔV のみによる関数にはなっていない。同じ ΔV でもばらつきが存在する。

T2K(1MHz)

69 70 71 0.5 1 1.5 2 2.5バイアス電圧 (V) ΔV (V)

13

cross-talk rate : 20 100samples℃cross-talk rate : 20 100samples℃ cross-talk rate V : 20 100samples℃cross-talk rate V : 20 100samples℃

~18 %

~29 %

クロストークレート測定結果 (100 サンプル )

MPPC のクロストークレートは ΔV のみの関数であり、100 個のサンプルに関してその関数の形は同じである。

T2K (5% 以下 )

69 70 71 0.5 1 1.5 2 2.5バイアス電圧 (V) ΔV (V)

14

Gain 400pixel ( 横軸 =Δ Ｖ )Gain 400pixel ( 横軸 =Δ Ｖ ) PDE 400pixel ( 横軸 =Δ Ｖ )PDE 400pixel ( 横軸 =Δ Ｖ )

Noise Rate 400pixel ( 横軸 =Δ Ｖ )Noise Rate 400pixel ( 横軸 =Δ Ｖ ) Cross-talk Rate 400pixel ( 横軸 =Δ Ｖ )Cross-talk Rate 400pixel ( 横軸 =Δ Ｖ )

ΔV=1.7V

1.7

ΔV=1.7V

ΔV=1.7V

ゲインをモニターしてゲインをモニターしておくおく10^6

ゲインのみをモニターすることから、温度に因らずゲイン・ＰＤＥ・クロストークレートの 3 つを得ることができ、キャリブレーションが可能で

ある。

28%

熱電子を起源とするノイズを除いた他の基礎特性、ゲ熱電子を起源とするノイズを除いた他の基礎特性、ゲイン・ＰＤＥ・クロストークレートのイン・ＰＤＥ・クロストークレートの 33 つは、温度つは、温度

に因らずに因らず ΔVΔV のみの関数になっていることがわかる。のみの関数になっていることがわかる。

熱電子を起源とするノイズを除いた他の基礎特性、ゲ熱電子を起源とするノイズを除いた他の基礎特性、ゲイン・ＰＤＥ・クロストークレートのイン・ＰＤＥ・クロストークレートの 33 つは、温度つは、温度

に因らずに因らず ΔVΔV のみの関数になっていることがわかる。のみの関数になっていることがわかる。

15

まとめ• MPPC の持つ基礎特性は格段に進歩を遂げ、 T2K 実

験からの要請を満たしている。• ＭＰＰＣ (400 ピクセル )×100 個に関してその基礎特

性のばらつきを測定した。結論として、基礎特性の違いは、ブレイクダウンの違いに集約することが出来る。ただしノイズに関しては相違が見られる。MPPC は T2K 実験に使用することが可能である。

　　今後、 T2K 実験に向けてより多量（最終的には数万個）のサンプルを用いての測定を行い、サンプル間の特性のばらつきを詳細に調べていく必要がある。

今後の予定

【 Readout electronics 】

Trip-t

17

読み出しエレキ開発のモチベーション

T2K 実験では～ 60,000 個の MPPC を用いる

複数のチャンネルを同時に読み出すためのエレクトロニクスが必要不可欠

MPPC を実機にインストール前に、その基礎特性をひととおり測定するシステムが必要

　　これらのモチベーションに基づき Trip-tチップを　用いた MPPC の多チャンネル読み出しエレクトロニクスの開発を行った

18

Trip-t

フェルミ研で開発 D0 実験での使用実績 T2K 、 MINERvA 実験で使用予定 入力 32ch のアナログシグナル ( －のチャージ ) 出力 1. 32ch それぞれの Discri シグナル 2. 入力電荷に比例したアナログシグナル 3. 入力とゲートの立ち上がりの時間差に比例

し たアナログシグナル

14mm

19

T2K 実験での読み出しに用いられる、trip-t チップテストボード

• 測定器開発室として、trip-t という複数のチャンネルを同時に読み出し可能なチップを用いたテストボードを製作した。この trip-t チップは T2K 実験での使用が予定されている。

• T2K 実験では一つの trip-t チップに 16 個の MPPC からの信号が対応する構造になる。

Trip-t

MPPC 入力

20

ADC 分布•400 ピクセル •ゲイン＝ 6.5x105 、ノイズレート@0.5p.e.th=100kHz

ADC カウント

0

12

3

0123

4

4

Trip-t の出力

ADC 分布

Trip-tTrip-t を用いてを用いて MPPCMPPC の読み出しができたの読み出しができたTrip-tTrip-t を用いてを用いて MPPCMPPC の読み出しができたの読み出しができた

21

100 ピクセル 400 ピクセル

400 ピクセル 400 ピクセル

ゲイン=7.5x105

ゲイン=6.5x105

ゲイン=1.1x106

ゲイン=2.7x106

MPPCMPPC のの 4ch4ch 同時読み出しに成功同時読み出しに成功MPPCMPPC のの 4ch4ch 同時読み出しに成功同時読み出しに成功

22

まとめ Trip-t を用いた MPPC の読み出しエレキを開発 MPPC の 4ch 同時読み出しに成功 実機ではハイゲイン / ローゲインチャンネルによ

って ダイナミックレンジを稼ぐ予定

今後の予定 32ch Trip-t ボードを新たに作成。これを用いて多量サンプル同時読み出しのためのセットアップを作成する

【 Connection with fiber 】

24

Connection with fiber

• 前置検出器では、シンチレーターからの光を WLS ファイバーを用いて読み出す。そのため、ファイバー端面とMPPC 表面とを、「簡単に」「正確に」「個体差が無く」「完全に密着させて」接続する、「遮光性の高い」「コンパクトで」「丈夫な」コネクターが必要になる。

このコネクターについて、キャップ式のコネクターを考案・作成した。

25

キャップ式コネク

ター

爪の部分が弾性力で締め付ける。

ファイバーハウジングを下に圧し付ける力が生まれる

26

キャップ式コネクター完成品

現状の問題点としては、 MPPC を『入れ難い』・『取り出し難い』という点が上がっている

27

まとめ• プラスチックコネクターについて、キャッ

プ式のものを考案・設計し、完成に至った。

今後の予定• キャップ式コネクターに関してコネクター自身

による、再現性・ PDE の損失などをテストし、実験に用いることが出来るかどうかを調べる。

28

まとめ• MPPC は実際に T2K 実験で用いるに十分に足る性

能を持つに至った。また、実際に実地でＴ２Ｋ実験に用いるための、多チャンネル読み出しエレクトロニクス・ファイバーとのコネクターの開発も、2009年の実験始動へ向けて着々と進んでいる。

• 今後の予定としては、実際にＴ２Ｋ実験を視野に入れた、数万の単位での多量サンプルテスト・ 32チャンネル Trip-t ボードの開発・プラスチックコネクターの評価などが課題に上がっている。

【 Back up 】

30

ゲインの測定

e

)Q(pedestal - Q(1p.e.) GAIN

pedestal

1p.e signal

2p.e

3p.e4p.e …

MPPC のゲインの定義式

ADC 分布　 MPPC No.50 15℃ 　 69.7V

この差分からゲインを定義する。

VVVbdbd

)V-(V e

C

e

Q GAIN bd

0

ΔV

バイアス電圧

31

Noise rate• 半導体光検出器である MPPC では、熱電子によるノ

イズが非常に多く現れてくる。熱電子起源の為、これらのノイズは一般的には 1p.e と同じシグナルになる。

• ここではスレッシュホルドを、 0.5p.e ・ 1.5p.e に設定し、光の進入の無い状態でそれを超えてくるものをノイズと定義し、測定を行った。

1 p.e

0.5 p.e = threshold

1.5 p.e = threshold

“ 1p.e noise ”

“ 2p.e noise ”

100pixel MPPC (25 )℃でのノイズのシグナル

32

improvement of noise rate

• ノイズレートは順調に減ってきていることがわかる。特にT2K評価サンプルでは、 1MHz という当初の目標設定をはるかに超えていることがわかる。

05.Apr05.Apr 05.Apr05.Apr

06.Jan06.Jan

06.Jan06.Jan

06.Oct06.Oct 06.Oct06.Oct06.Oct06.Oct

0.5 1 1.5 2 1 2 3 4 5 6 7ΔV ΔV青青 緑緑 赤赤 ( ( 桃色 桃色 ))

1MHz1MHz

Noise rate [ kHz ] 400pixelNoise rate [ MHz ] 100pixel

20℃

33

Cross-talk rate• クロストークとは、あるピクセルにフォトンが進

入し電子雪崩を起こした際に放出されたフォトンが、隣のピクセルに侵入し、また別の電子雪崩を引き起こすことを意味している。

隣の、『外部からフォトンが侵入していないはずの APD 』も、シグナルを出してしまう。

“ Cross-talk “

となりの pixel

Avalanche

34

• クロストークレートは、得られたデータの 1p.e の個数から計算される。

Cross-talk rate の測定

ondistributi-Poisson

-measuredondistributi-Poisson

)1(P

P(1)- )1(P rate talk cross

The cross talk rate は、このように定義できる

ペデスタルの個数はクロストークに因らない

• Poisson 分布を仮定

1p.e の個数 : P(1)( estimated by pedestal )

||cross-talk 含まない

1p.e の個数 : P(1)( measured )

||cross-talk 含む

この差がクロストークによる損失を表している。

測定

35

Photon Detection Efficiency• Photon Detection Efficiency ( = PDE ) は、以下の式

で定義される。 PDE は 3 つの要素から成る。

GeigerlGeometrica QE PDE

Geometrical Efficiency. 全領域に対する有感領域の大きさ (50%~70%)

有感領域の Quantum Efficiency (60~80%)

ガイガー放電を起こす確率 (60~90%)

MPPC の種類に依存

観測するフォトンの波長に依存

バイアス電圧に依存

MPPC は緑の光に対して高い QE を持つ。

36

relative PDE の測定・ 1mmφ のスリットを通過してきた光のみを検出する。・ MPPC で観測された光電子数の、 PMT で観測された光電子数に対する比を、『 relative relative PDEPDE 』として定義する。

MPPC

1mmφ スリット

青色LED

( 有感領域=1mm2)

PMT

p.e.(PMT)

p.e.(MPPC)PDE relative

PMT = HPK製 , type H8643

set up 移動ステージ

37

Linearity

• Linearity は以下の式で定義される。

) PMTby monitor ron(photoelect injected

) MPPC (number pixel firedLinearity

MPPC は、そのピクセル数に上限を持つ( 100pixel, 400pixel,… )

MPPC は、進入してくるフォトン数がピクセル数に対して大きくなってくると、線形なデバイスとしては動作しなくなる。

set up

MPPCMPPC に入るフォトン数は PMTを用いてモニターする。

PM

T

紙( LED の光をぼかす )

38

00fired N

exp1NNx

Linearity

• 緑色の線は、ピクセル数から計算した理論値を表している

光電子数ピクセル数

:

:N0

x

青　青　 : DATA plot: DATA plot緑　緑　 : expectation: expectation

Linearity 400pixel

Injected photoelectron per pixel F

ired

pix

el [

% ]

MPPC MPPC は以下の領域では線形に動作する。は以下の領域では線形に動作する。~25p.e 100pixel~100p.e 400pixel

linear

Linearity 100pixel

Fir

ed p

ixel

[ %

]

Injected photoelectron per pixel

linear

25%25%

青　青　 : DATA plot: DATA plot緑　緑　 : expectation: expectation

39

Summary of improvement• 今までの MPPC サンプルの持つ性能を、 100 ピクセル･

400 ピクセル、各々について時系列に従って並べてみる。

(20 )℃ 型番 時期ΔV

[V]

ノイズ[MHz]

ゲイン ×10^5

クロストーク

PDE

(PMT)

100

pixel

21-53-1A 05.Apr 0.6~1.2 0.2~0.8 8~30 0~40 0.4~1.3

311-53-1A-002 06.Jan 1.2~2.0 0.4~0.9 17~29 13~33 1.2~1.7

T2K-11-100C 06.Oct 0.6~1.4 0.1~0.3 13~30 11~51 1.0~2.2

T2K-11-100U-m 06.Oct 0.6~1.2 0.1~0.3 13~26 8~36 1.2~2.6

400

pixel

1-32 05.Apr 6.0~7.0 0.1~1.2 6~7 7~36 0.1~0.7

311-32A-002 06.Jun 1.1~1.9 0.6~1.2 6~10 7~23 1.1~1.9

T2K-11-050C 06.Oct 1.1~1.9 0.1~0.3 6~11 12~42 1.4~2.1

40

KEK でのレーザーテスト

測定結果は HPKへ

移動ステージ0.2μm pitch (x , y)

レーザースポットサイズ 　≒数 μm

顕微鏡を用いての写真

MPPC

100μm

microscop

e

Laser source

λ=825nmwidth 50ps

ばらつき…• gain• cross-talk rate• efficiency

・ MPPC の各ピクセルからの応答を測定する。• 1 ピクセル内でのばらつ

き• ピクセル間でのばらつき

* 動機 *

41

RMS/mean=2%

RMS/mean=2%

0.25

1 ピクセル内でのばらつき

100pixel

efficiency

GAINCross talk rate

有感領域

42

RMS/mean=3%

RMS/mean=3%

ピクセル間でのばらつき

100pixel

efficiency GAIN

43

RMS/mean=1.7%

RMS/mean=1.6%

Uniformity within 1pixel

0.25

400pixel

efficiency

GAINCross talk rate

44

RMS/mean=2.9%

RMS/mean=3.4%

Uniformity of each pixel

0.18

400pixel

efficiency

GAINCross talk rate

45

Gain of MPPC : 横軸 =ΔV

cross-talk rate of MPPC : 横軸 =ΔV

46

PDE of MPPC : 横軸 =ΔV

VBD [V]

100pixel 400pixel

25degree 68.80 68.83

20degree 68.52 68.51

15degree 68.25 68.20

VBD の

温度依存性

47

Trip-t ダイアグラム

フロントエンド

パイプライン

マルチプレクサ

2 段のアンプで増幅

シグナルをストックしておく（深さ1~48)

ch1

ch2

ch32

シリアル化

ch1

ch2ch32

48

Trip-t 読み出しシーケンスMPPC シグナル (ch1)

プレアンプコントロールシグナル

プレアンプを通った後の MPPC シグナル

出力

マルチプレクサのクロック

0 1 2 32

49

セットアップ

FADC-+オペアンプTrip-t

デジタル波形発生器

コントロールシグナル

トリガー

AD 変換

SciBar DAQ ボード

テストボード(4ch)

4m フラットケーブル

MPPC

LED

50

T2K 実験 実機タイプエレクトロニクス (preliminary)

16 MPPCs

16MPPCs

Trip-t

ADC ADC

FPGA

Trip-t

16MPPCs

16 MPPCs

Trip-t

Trip-t

•UK グループによる開発•64MPPCs/ ボード•16 ハイ・ローゲインチャンネル / チップ•FPGA によるコントロール•温度モニター•MPPC の Bias微調整用 DAC

10bit

51

FPGA

TRIP-t

TRIP-t

TRIP-t

TRIP-t

power

ADC

ADC

実機タイプエレクトロニクス(preliminary)表 裏

I/O connect

52

spill(8bunch)

integrate(~300ns)

reset (~50ns)

Chip time structure (preliminary)

5.6us

readout catch late signal

~3us ~50us

beam

53

SiP

M0

TFB0

… SiP

M63

SiP

M0

TFB1

… SiP

M63

SiP

M0

TFB47

… SiP

M63

…

RMM0

TPSPower distribution

Clk

& t

rg

da

ta

GTM

Trig

ge

r P

rimiti

ves

MCM

Co

smic

tr

igg

er

Sp

ill t

rig &

#

GP

S 1

Hz/

10

0M

Hz

(Acc

. R

F)

Clk

& t

rg

FPN

Gig

ab

it/E

the

rne

t

Gig

ab

it/E

the

rne

t

Acronyms:Acronyms:TFB: TFB: TRIP-t front-end boardTRIP-t front-end boardRMM:RMM: r/o merger moduler/o merger moduleGTM:GTM: global trigger moduleglobal trigger moduleMCM:MCM: master clock modulemaster clock moduleSCM:SCM: slave clock moduleslave clock moduleTPS:TPS: TRIP-t power supplyTRIP-t power supplyFPN:FPN: front-end proc. node (PC)front-end proc. node (PC)

SCM

Sp

eci

al

trig

ge

r

Clk & trg

Gigabit/Ethernet

Gigabit/Ethernet

Clk

& t

rg

System Overview

54

XTL1

FLASH

JTAG

CPLD

XTL2

FPGA

2v5

3v3

1v2

2v5

1v8

RJ45

RJ45

RJ45

RJ45

RJ45

RJ45

RJ45

RJ45

RJ45

RJ45

RJ45

RJ45

RJ45

RJ45

RJ45

RJ45

RJ45

RJ45

Readout Merger module(RMM)

1:36-48

4 LVDS pairs

RJ451G Opto

DAQ1G Ethernet

CLKMerger

RJ451G Opto

RJ451G Opto

RJ451G Opto

RJ451G Opto

RJ451G Opto

RJ451G Opto

RJ451G Opto

RJ451G Opto

RJ451G Opto

RJ451G Opto

RJ451G Opto

RJ451G Opto

RJ451G Opto

RJ451G Opto

RJ451G Opto

RJ45RJ45

RJ45RJ45

RJ45RJ45

RJ45RJ45

RJ45RJ45

RJ45RJ45

RJ45RJ45

RJ45RJ45

RJ45RJ45

RJ45RJ45

RJ45RJ45

RJ45RJ45

RJ45RJ45

RJ45RJ45

RJ45RJ45

RJ45RJ45

RJ45RJ45

RJ45RJ45

300mm x 100mm version

Trip-t board

RJ45 FPGA

?power

RJ45

55

MPPC セラミックパッケージ

• この T2K 用に用いられるはずのセラミックパッケージは、そのアライメントを外枠で取っている。

プラスチックパッケージについて、アライメントプラスチックパッケージについて、アライメントはこのはこの 5mm5mm 、もしくは、もしくは 6mm6mm について取る。について取る。

56

ネジ式コネクター : Type 1

MPPC ハウジング

ファイバーハウジング

• Type 1 は 2パーツで構成される。 2 つはネジによって固定される。

MPPC

WLS ファイバー

57• Type 2 は 3 つのパーツ

で構成される。

ネジ式コネクター : Type 2

MPPC ハウジング

ファイバーハウジング

MPPC

WLS ファイバー固定枠

58

• ネジ式の利点 …ネジ式の利点 …– ネジによって密着度は最大まで出る– ファイバー中心と MPPC 中心とは簡単に合わせることができる– 構造が単純なために、耐久性が高く、またコストの面でも良い。

• ネジ式の欠点 …– 狭い所で 10000 個分もネジを回すのは面倒くさい。

利点と欠点

利点利点 欠点欠点ネジ式Type 1

再現性がより高い 両パーツとも固定すると接続不可

ネジ式Type 2

両パーツとも固定しても接続可

再現性が Type 1 より悪い可能性有

59

再現性

• Type 1 は良い再現性を有している。• Type 2 は Type 1 程は再現性が高くない。この違い

は先に述べた理由によるものなのだろうか ?

3%

15%

RMS/Mean = 0.0175RMS/Mean = 0.0175 RMS/Mean = 0.0956RMS/Mean = 0.0956

60

Future Plan

• プラスチックコネクターによる PDE の損失を測定する。

MPPC

1mmφslit

Blue LED

( 感受光領域 = 1mm2 )

PMT

MPPC

1mm fiber

Blue LED

( 感受光領域 = 1mm2 )

PMT

Measurement 1 Measurement 2

全 PDE の測定 ファイバー端面からの光の広がりによる損失の測定

Measurement 3 プラスチックパッケージによる損失の測定