【 MPPC for T2K experiment 】

1. 【 MPPC for T2K experiment 】 S.Gomi, T.Nakaya, M.Yokoyama, M.Taguchi, (Kyoto University) T.Nakadaira, K.Yoshimura, (KEK) for KEK-DTP photon sensor group Apr.10.2007

2. Improvement of performance • ノイズレート • ゲイン • 光子検出効率 (PDE) • クロストークレート The device-by-device variation of performance Contents • Introduction • Basic performance • Readout electronics • Connection with fiber

3. T2K 実験 • 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 MAIN GOAL

4. 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。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 ・　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 T2K実験でのMPPCの役割 target MPPCはこれらの要請に応えることができる。 他にも利点として・・・ SK

5. Improvement of performance • ノイズレート • ゲイン • 光子検出効率 (PDE) • クロストークレート The device-by-device variation of performance 【 Basic performance 】

6. 06.Oct 06.Oct 06.Jan 06.Oct 06.Jan 05.Apr 05.Apr 0 0.5 1 1.5 0 0.5 1 ノイズ [MHz] ノイズ [MHz] 青緑赤( 桃色 ) improvement of gain 横軸=ノイズレート 20℃ Gain 100pixel Gain 400pixel • 時系列にしたがって、その性能が高まっていっている。 1×10^6 T2K(~1×10^6) T2K(<1MHz)

7. 2 06.Oct 06.Oct 06.Oct 06.Jan 06.Jan PMT 05.Apr 05.Apr 0 0 0.5 1 0 0.5 1 ノイズ [MHz] ノイズ [MHz] 青緑赤( 桃色 ) improvement of PDE 横軸=ノイズ 20℃ Relative PDE 100pixel Relative PDE 400pixel • 『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。 2 T2K(~PMT) T2K(<1MHz)

8. 50% 50% 06.Oct 06.Oct 05.Apr 06.Oct 06.Jan 05.Apr 06.Jan 0 0.5 1 1.5 0 0.5 1 ノイズ [MHz] ノイズ [MHz] 青緑赤( 桃色 ) improvement of cross-talk rate横軸=ノイズ 20℃ Cross-talk rate 100pixel Cross-talk rate 400pixel • 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･･･。 T2K (5%以下) T2K(<1MHz)

9. 100ピクセル geometrical efficiency 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。 80μm geometrical efficiency = 64%  向上している。 100μm efficiency= 0.5p.e.以上のevent / total event

10. ゲイン測定結果 (100サンプル) Gain DV : 400pixel 20℃ 100samples Gain : 400pixel 20℃ 100samples ×10^3 ×10^3 T2K (~1×10^6) ~10×10^5 ~7×10^5 69 70 71 0.5 1 1.5 2 2.5 バイアス電圧 (V) ΔV (V) 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。

11. PDE測定結果 (100サンプル) PDE DV : 400pixel 20℃ 100samples PDE : 400pixel 20℃ 100samples ~1.80 ~1.37 T2K (~PMT) 69 70 71 0.5 1 1.5 2 2.5 バイアス電圧 (V) ΔV (V) 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。

12. ノイズ測定結果 (100サンプル) Noise rate [kHz] DV : 20℃ 100samples Noise rate [kHz] : 20℃ 100samples T2K(1MHz) ~365kHz ~190kHz 69 70 71 0.5 1 1.5 2 2.5 バイアス電圧 (V) ΔV (V) 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。

13. クロストークレート測定結果 (100サンプル) cross-talk rate DV : 20℃ 100samples cross-talk rate : 20℃ 100samples ~29 % ~18 % T2K (5%以下) 69 70 71 0.5 1 1.5 2 2.5 バイアス電圧 (V) ΔV (V) 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。

14. Gain 400pixel ( 横軸=ΔＶ ) PDE 400pixel ( 横軸=ΔＶ ) ゲインをモニターしておく 1.7 10^6 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3つは、温度に因らずΔVのみの関数になっていることがわかる。 ΔV=1.7V ΔV=1.7V Noise Rate 400pixel ( 横軸=ΔＶ ) Cross-talk Rate 400pixel ( 横軸=ΔＶ ) 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% ΔV=1.7V

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。 今後の予定 　　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。

16. 【 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. 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。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。 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 MPPC入力 Trip-t

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分布 Trip-tの出力 1 2 4 0 3 3 Trip-tを用いてMPPCの読み出しができた 2 1 4 0 ADCカウント

21. 100ピクセル 400ピクセル ゲイン=2.7x106 ゲイン=7.5x105 MPPCの4ch同時読み出しに成功 400ピクセル 400ピクセル ゲイン=6.5x105 ゲイン=1.1x106

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

23. 【 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. 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 キャップ式コネクター

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。

29. 【 Back up 】

30. ゲインの測定 MPPCのゲインの定義式 ADC分布　MPPC No.50 15℃69.7V pedestal Vbd V 1p.e signal 0 ΔV バイアス電圧 2p.e 3p.e 4p.e … この差分からゲインを定義する。

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。 “ 1p.e noise ” 0.5 p.e = threshold “ 2p.e noise ” 1 p.e 100pixel MPPC (25℃)でのノイズのシグナル 1.5 p.e = threshold

32. 06.Jan 05.Apr 05.Apr 1MHz 1MHz 06.Jan 06.Oct 06.Oct 06.Oct 0.5 1 1.5 2 1 2 3 4 5 6 7 青緑赤( 桃色 ) ΔV ΔV improvement of noise rate 20℃ Noise rate [ MHz ] 100pixel Noise rate [ kHz ] 400pixel • 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。

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。 となりの pixel Avalanche g “ Cross-talk “ g

34. Cross-talk rate の測定 • 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。 ペデスタルの個数はクロストークに因らない 測定 • 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。 The cross talk rateは、このように定義できる

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。 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。 set up 移動ステージ ・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 PDE 』として定義する。 1mmφスリット PMT 青色LED MPPC ( 有感領域=1mm2) PMT = HPK製, type H8643

37. 紙 set up ( LEDの光をぼかす) MPPC MPPCに入るフォトン数はPMTを用いてモニターする。 PMT Linearity 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。 MPPCは、そのピクセル数に上限を持つ ( 100pixel, 400pixel,… ) • Linearityは以下の式で定義される。

38. Linearity Linearity 100pixel Linearity 400pixel linear linear • 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 Fired pixel [ % ] Fired pixel [ % ] 25% 25% 青　: DATA plot 緑　: expectation 青　: DATA plot 緑　: expectation Injected photoelectron per pixel Injected photoelectron per pixel MPPC は以下の領域では線形に動作する。 ~25p.e  100pixel ~100p.e  400pixel

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。

40. microscope Laser source λ=825nm width 50ps 移動ステージ 0.2μm pitch (x , y) KEKでのレーザーテスト 顕微鏡を用いての写真 100μm • ・ 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 * レーザースポットサイズ 　≒数μm MPPC ばらつき… • gain • cross-talk rate • efficiency 測定結果は HPKへ

41. efficiency 1ピクセル内でのばらつき 有感領域 RMS/mean=2% 100pixel Cross talk rate GAIN 0.25 RMS/mean=2%

42. ピクセル間でのばらつき 100pixel efficiency GAIN RMS/mean=3% RMS/mean=3%

43. efficiency Uniformity within 1pixel 400pixel RMS/mean=1.7% Cross talk rate GAIN 0.25 RMS/mean=1.6%

44. efficiency Uniformity of each pixel RMS/mean=3.4% 400pixel Cross talk rate GAIN 0.18 RMS/mean=2.9%

45. Gain of MPPC : 横軸=ΔV cross-talk rate of MPPC : 横軸=ΔV

46. PDE of MPPC : 横軸=ΔV VBDの 温度依存性

47. Trip-tダイアグラム ch1 ch2 ch2 ch32 マルチプレクサ フロント エンド パイプライン ch1 ch32 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) シリアル化

48. プレアンプを通った後のMPPCシグナル 0 1 2 32 マルチプレクサのクロック 出力 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

49. セットアップ SciBar DAQボード 4mフラットケーブル テストボード(4ch) - FADC + Trip-t オペアンプ MPPC コントロールシグナル LED トリガー デジタル波形発生器 AD 変換

50. T2K実験 実機タイプエレクトロニクス(preliminary) 16 MPPCs 16 MPPCs • 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 Trip-t Trip-t FPGA ADC ADC Trip-t Trip-t 10bit 16MPPCs 16MPPCs