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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. - 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
T2K Near Detector のための光検出器 MPPC(SiPM) の性能評価
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
Contents
1. Introduction
2.MPPC Signal & p.e peak3.Gain, Noise Rate, Cross talk Measurement4.Summary
• Fine Grained Detector in T2K Near Detector• Requirement for the Photo Sensor• About MPPC, Motivation
Fine Grained Detector
on-axis
off-axis
Fine Grained Detector (FGD)
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
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
•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
fine grained detector 光検出器に課せられる要求
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 Multi Pixel Photon Counter
5mm
compact size !
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
Gain
H.V
磁場内での動作
106 ~107
1 ~ 2kV
Problematic
100 ~200
100 ~500V
OK
106 ~107
20 ~80V
OK
PMT APD MPPC
low costis expected
high gain
low bias V
Dynamic Range ~ 1600
100 ~ 1600 APD pixels /mm2
MPPC の動作原理個々の APD pixel
•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)
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
QuenchingResister
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
1pixel
測定の Motivation
• 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 )
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
Pixel 100 ~ 1600 Bias V 34 ~ 74 (v) 受光面 1mm2
Signal width 5 ~ 100ns
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
Motivation
Signal & p.e peak
LED によるシグナルを確認した
1p.e2p.e3p.e
30p.e
adc count
nu
mb
er o
f ev
ent
最大で 45 p.e ピークまでの観測に成功した
raw signal
1mV/div100ns/div
HPK100a
HPK100aV=48.0by blue LED
さらに、 p.e ピークを見ることができた
ピーク毎の間隔は 2 %以内で一致していた
Great Performancefor Photon Counting!
pixel ごとに Gain がよく揃っている
Gain の測定
adc count
even
t n
um
ber
0p.e
1p.e
MPPC preamp
Blue LED
clock generator
ADC
gate
gate generator
20ns pulse
×10 ~ 100
WLS
charge sensitive
calculate MPPC gain from1p.e-0p.e count
• 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
Gain v.s Bias V (20 )℃•Gain=1×105 ~ 2×107
•dG/dV =Cpixel /1.6×1019
Gai
n
Gai
n
bias voltage (V) bias voltage (V)
HPK100a HPK400b
シグナル幅 =Cpixel×Rquench
×104×103
47 48.4 47.5 49.5
known valueよく一致した
Pixel が持つ capacitance
Quenching Resister
Gain v.s Bias V
bias voltage (V)
Gai
n
HPK100a
HPK400b
•Gain=3×105 ~ 2×107
•dG/dV depends on Capacitance of a pixel•T=20℃
number of pixel
bias voltage (V)bias voltage (V)
Gai
n
Gai
n
HPK100d
HPK100f
HPK100e
HPK1600a
Rus600b
Rus600d
Rus600c
Rus600a
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
adc count
# even
tno LED
0p.e
1p.e
0.5p.e
1p.e pulse
0.5p.e
no LED
MPPCoutput
discriminator scalerMPPCoutput
adc
random gate
0.5p.e or 1.5p.e th
take as noise
Noise Rate v.s Bias V (20 )℃
0.5p.e threshold by pulse height
0.5p.e threshold by charge
no
ise
rate
(H
z)
bias voltage (V)
no
ise
rate
(H
z)
HPK100a
HPK400b HPK100d
HPK100e
bias voltage (V)
1.5p.e threshold by pulse height
HPK100f
HPK1600a
bias voltage (V)
no
ise
rate
(H
z)
RUS#20
RUS#14 RUS#23RUS#22
よく一致している
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 measurement
•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
cross talk Rate を
の2通りで測定する
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
1p.e
2p.e
integration をとる( p.e ごと)
by LED
3p.e
adc count
#eve
nt
ratio
HPK400bV=47.8
p.e#low voltage ではよく一致する
ポアソン統計データ
Cross Talk によるポアソン統計からのずれが見られる
HPK400bV=48.6
p.e#
ratio
1p.e ratio の減少分からCross TalkRate を導く
X-talk v.s bias V ( 20℃ )
X- talk Rate
bias voltage (V)
HPK400b
by poisson law
HPK100a
by noise rate
測定誤差の範囲内で一致している
bias voltage (V)
X-t
alk
Ra
te
HPK100e
HPK100f
HPK1600a
HPK100d
Rus600bRus600a
Rus600c
Rus600d
X-
talk
Ra
te
Photon Detection Efficiency measurement
約 40cm
blue LED10ns
MPPC
•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
移動ステージ
y
x
恒温槽 20℃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)
(rough measurement yet)
Signal (p.e) v.s Noise Rate
1-43-22(100a)
noise rate (Hz)
sig
nal
hei
gh
t (p
.e)
1-32-21(400b)
5-63-1A-2(100d)
21-53-1A-3(100e)
21-53-2A-3(100f)
5-31-22(1600a)
RUSSIA14(600a)
Gain Gain
noise rate (Hz) noise rate (Hz)
HPK100aHPK400b
Gain Gain
noise rate (Hz)noise rate (Hz)
HPK100d
HPK100f
HPK100e
RUS600a
RUS600c
RUS600d
RUS600b
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
V=41.7 V=47.0
V=10 程度でも見られる。Geiger discharge だとは考えにくい
1mV/div100ns/div
Geiger discharge がその上に見え始める
bias V を上げていくと
大きくなる
no LED
LED 2V
LED 3V
LED 5VGeiger discharge ではない成分
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
V=47.0
100pixel 中 , 数 pixelだけがガイガーモードになっている?
100pixelsome the others
Geiger mode Avalanche mode
pixel ごとに break down voltage がばらついている可能性がある
Unknown Behavior
HPK1-63-1A-22by LED
adc count
nu
mb
er o
f ev
ent
大きさの異なる 2 通りのピークがみられた
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
•ピクセルごとの Gain のばらつき•ピクセル間の X-Talk
可能性
HPK に聞いたが、原因は分からず
Noise Rate, X-talk Rate v.s Gain
HPK100a
HPK400b
RUS600b
HPK100e
HPK100f
HPK100d
cross talk Rate
106 107
HPK400b
HPK100a
RUS600b
HPK100dHPK100e
HPK100f
Gain
noise rate (Hz)
106 107
1060.4
Gain
Noise Rate < 1MHz ~ X-talk Rate < 35%
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
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
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
• 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%
~
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• 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
問題点
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•
Supplement
Break down Voltage
30p.e
100p.e saturation
HPK100aV=47.2LED full intensity
HPK100aV=48.0
adc count
nu
mb
er o
f ev
ent
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
pixel ごとに break downvoltage がばらついている可能性がある
100pixel 中 30pixelだけがガイガーモードになっている?
100pixel
30 70Geiger mode Avalanche mode
HPK400aV=47.5
V=48.3V=48.5
V=48.8 V=49.0 V=49.6
V=49.8V=50.1 V=50.85
Pixel Saturation 時の信号波形
HPK21-53-1A-3 (100pixel)
1 p.e signal
saturation signal
5mV500mV
100ns100 ピクセル SiPM に LED(10ns) で大きな光量を入れ、saturation signalをみた
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
long tail
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 Behavior
HPK100b? p.e peak
•Possibility that pixel’s gain are divided to two pattern
•such a behavior was seen in HPK’s 4 SiPMs
•currently we are researching this in detail
adc count
nu
mb
er o
f ev
ent
SiPM ID
5-31-22
(1600a)
1-21A-21
(1600b)
1-22-2A-22 (400a)
1-32-21
(400b)
1-43-22
(100a)
1-63-1A-22 (100b)
1-63-1A-23 (100c)
5-63-1A-2
(100d)
21-53-1A-3 (100e)
21-53-2A- 3 (100f)
ピクセル数
ピッチ(μm)
Vb(V) シグナル幅( ns)
quench抵抗 (kΩ)
1600 25 79 5 135
1600 25 55 5 135
400 50 55 10 180
400 50 53 10 108
100 100 52 100 270
100 100 54 60 270
100 100 53 60 270
100 100 53 40 270
100 100 75 12 42
100 100 76 40 147
構造
type4
type1
type1
type2
type5
type1
type1
type3
type6
type6
Vr(V) Id(nA)
73.5 4.6
49.5 19
48.7 4.7
48.4 54
48.4 625
49.6 15
48.1 48
72.7 24.7
70.6 21.7
70.6 19.8
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 (20 )℃
0.5p.e threshold by pulse height0.5p.e threshold by charge
1.5p.e threshold by pulse height
よく一致している
no
ise
rate
(H
z)
HPK100a
HPK400b
bias V (V)
106
105
104
103
102
47 49