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