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APD を用いたシンチレータの波長変換 ファイバー読み出し系の開発

APD を用いたシンチレータの波長変換 ファイバー読み出し系の開発. 京都大学理学研究科　平出克樹 次世代光センサーに関するワークショップ 2005 年 12 月 26 日 -27 日. Contents. Introduction APD の基本特性 読み出しエレクトロニクスの開発 APD 読み出し系の性能評価 まとめ. 1. Introduction. T2K 前置検出器として用いる シンチレータ飛跡検出器. 2m x 2m x 0.3m チャンネル数 ~10,000 最小イオン化粒子に対し 期待される光量 ~125x( 量子効率 ) p.e.

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  1. APDを用いたシンチレータの波長変換ファイバー読み出し系の開発APDを用いたシンチレータの波長変換ファイバー読み出し系の開発 京都大学理学研究科　平出克樹 次世代光センサーに関するワークショップ 2005年12月26日-27日

  2. Contents • Introduction • APDの基本特性 • 読み出しエレクトロニクスの開発 • APD読み出し系の性能評価 • まとめ

  3. 1. Introduction T2K前置検出器として用いる シンチレータ飛跡検出器 • 2m x 2m x 0.3m • チャンネル数~10,000 • 最小イオン化粒子に対し 期待される光量 • ~125x(量子効率) p.e. • 磁場0.2T 棒状 シンチレータ 光検出器　 波長変換 ファイバー n ビーム 2m シンチレータの波長変換 ファイバー読み出しに アバランシェ・フォト・ダイオード (APD)が使えないか？ 2m 0.3m

  4. 1. Introduction T2K前置検出器として用いる シンチレータ飛跡検出器 • APDの利点 • 量子効率が高い • 低光量の検出に有利 • 磁場中で使用可 • コンパクトである 棒状 シンチレータ 光検出器　 波長変換 ファイバー n ビーム • APDの欠点 • 自己ゲインが低い低ノイズ増幅器が必要 • 温度依存性が大きい 2m 2m 0.3m

  5. 1cm 2-1. APDの基本特性 量子効率の波長依存性 HAMAMATSU S8550 32ch Si APDアレイ 量子効率~80% @l~500nm (波長変換ファイバーのピーク波長で)

  6. ゲイン(M)のバイアス電圧係数 kV = 5.5%/V @M=100 ゲイン(M)の温度係数 kT = -5.5%/oC @M=100 2-2. APDのゲイン-バイアス曲線 20 oC 10 oC 0 oC -10 oC -20 oC

  7. 20 oC 10 oC 0 oC 2-3. APDのダークカレント • 室温(20oC), ゲイン100倍 • において、 • Idark ~ 3.3 nA/channel • 冷却するとダークカレント • は減少する。 • +20oC-20oCで約1/70に

  8. Bias for APD To VME DAQ board 12 cm 32ch APD Amp VA 20 cm 3-1. 読み出しエレクトロニクスの概要 フロントエンドボード 32ch APDアレイ VA (ASIC) OP amp. (AD8058) VME DAQボード DAQ PC A/D変換 増幅・シリアル化 10倍増幅 プロトタイプフロントエンドボード VME DAQボード

  9. 3-2. VAによる信号の増幅・シリアル化 IDEAS VA1 ・・・128チャンネルの入力ラインをもつ 低ノイズpreamplifier-shaper回路 VAによるシリアル化の概略図 VAからの信号のタイミング図

  10. 3-3. VME DAQボード VME DAQボード • フロントエンドボードからのアナログ信号をA/D変換を行う(12-bit flash ADC)。 • VA読み出しシーケンスの制御を行う。 • VAにテストパルスを送ることにより、各チャン ネル毎にキャリブレーションができる。 K2K前置検出器SciBarのために開発されたもの。

  11. 4-1. 読み出しエレクトロニクスの基本性能 テストパルスを用いた入力電荷に対する線形性の測定結果 入力電荷に対する応答 直線フィットからのずれ 正の電荷に対して約20MIP(最小イオン化粒子) に対応する30fCまで±2%以内

  12. 4-1. 読み出しエレクトロニクスの基本性能 各チャンネルのゲイン、ノイズレベルの測定結果 ノイズレベルの分布 ゲインの分布 75~100 mV/fC 1,000~2,000 electron RMS チャンネルによってかなりばらつきがある

  13. 4-2. 期待されるノイズレベル 期待されるVAのノイズレベル 入力負荷容量によるノイズ ダークカレントによるノイズ  ~390 electrons RMS 測定されたノイズレベルは期待されるVA のノイズレベルよりはるかに大きい

  14. 4-3. テスト電荷に対するVAの出力波形 入力に何もつながって いないチャンネル APD読み出しに 用いているチャンネル 入力に何もつながっていないチャンネルに比べ Peaking timeが短く、オーバーシュートがある。 アセンブリの際にVAにダメージが与えられてしまったように思われる。

  15. Temperature chamber 1.2m 1mmf WLS fiber APD front-end electronics PMT LED VME DAQ board 4-4. APD読み出し系の性能評価 • LEDのパルス光を波長変換ファイバーを通してAPDに入射させる • 性能比較および光量モニターのため、PMTでも同時に測定する • 恒温槽で温度を0.1oC以内で一定に保つ

  16. Temperature chamber 1.2m 1mmf WLS fiber APD front-end electronics PMT LED VME DAQ board 4-4. APD読み出し系の性能評価 ペデスタル LED イベント 最小イオン化粒子が厚さ1cmの シンチレータを通過したときの信号 と同程度 PMTでの測定 光量:18.6 p.e. 分解能: 23.8%

  17. 4-5. 常温(20oC)でのパフォーマンス APDゲイン ~ 100 S/N比~ 7.0 分解能 ~ 18.6% APD読み出し系のADC分布 • 得られた信号は期待値の約65%。 ファイバーの受光面への接触不良, 量子効率の不定性 • ペデスタルの幅はエレクトロニクスのノイズが決めている。改善の余地あり • PMTより良い分解能が得られた。

  18. 4-6. 低温(-10oC)でのパフォーマンス APD読み出し系のADC分布 APDゲイン ~ 250 S/N比~ 18.5 分解能 ~ 16% 冷却することでAPDの自己ゲイン が大きくなり、S/N比が向上した。

  19. 5. まとめ • APDを用いたシンチレータの波長変換ファイバー読み出しシステムの開発を行い、その性能評価を行った。 • 常温で、最小イオン化粒子からの信号に相当する入射光に対し、S/N~7が得られた。 • ノイズレベルはエレクトロニクスのノイズが支配的で、改善の余地がある。 • エネルギー分解能はPMTより良い。 • 冷却することによりさらにパフォーマンスは上がる。 • ただし、温度コントロールをする必要がある。

  20. Backup slides

  21. VAによる信号の増幅・シリアル化

  22. VAによる信号の増幅・シリアル化

  23. フロントエンドボードのノイズ対策 APDバイアス電源ライン にバイパスコンデンサ を実装した APDバイアス電源のGNDとボードのGNDを 太いケーブルでつないだ VAの電源ラインに 多くのバイパス コンデンサを実装した

  24. コモンモードノイズ 読み出しエレクトロニクスのノイズの測定結果 あるチャンネルの ペデスタルのADC分布 -- あるチャンネルのもとのADC分布 -- コモンモードノイズを差し引いた後の ADC分布 全チャンネルに共通にのっている ノイズがまだ存在している

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