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MPPC 　放射線耐性の評価測定

MPPC 　放射線耐性の評価測定. ILC Cal Meeting 2007 年９月６日 筑波大学 山崎　生野　須藤　高橋. γ 線照射 to MPPC. GLD Calorimeter では MPPC は放射線環境下での使用が見込まれ、放射線耐性を評価する必要がある そのため、東工大久世研究室で γ 線を照射した MPPC の放射線耐性の評価をする 東工大での照射環境

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MPPC 　放射線耐性の評価測定

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Presentation Transcript

  1. MPPC　放射線耐性の評価測定 ILC Cal Meeting 2007年９月６日 筑波大学 山崎　生野　須藤　高橋

  2. γ線照射 to MPPC • GLD CalorimeterではMPPCは放射線環境下での使用が見込まれ、放射線耐性を評価する必要がある • そのため、東工大久世研究室でγ線を照射したMPPCの放射線耐性の評価をする • 東工大での照射環境 - 照射サンプル→ILC-11-025M , sample#6 - 1krad/hで24時間照射→累積24Krad(MPPC受光面に垂直にγ線が入射するよ う設置) - 印加電圧はVop= 77.86Vをかけ、25℃で一定

  3. γ線の照射の影響 • Total dose 効果 :照射量に比例して漏れ電流増加 - Bulk damage（Si層の格子欠陥） - Hole trap（SiO2層に正孔が捕獲される） - Surface damage (Si-SiO2境界面に正孔が蓄積) • 高波高ノイズ 効果 : ある照射量から大きく漏れ電流変化 　　　　　局所的に高電圧状態→高波高ノイズ発生

  4. SIPM損傷試験：ADC distribution @東工大 照射前 （累積放射線量22.2krad） • 10krad/h*10h照射後はphoton counting出来ていない （累積放射線量122.2krad）

  5. MPPC Pulse Shape(Radiation ) 測定一回目　1時間後 測定二回目　1時間後 セルフトリガーでの信号 ランダムトリガーでの信号 測定二回目　8時間後 高波高ノイズと思われる信号が出ており、波高は1 p.e. (約35mv 1600pixel)よりも高い(>2 p.e. height)

  6. 測定項目 • Gain,NoiseRate測定 照射前のものと比較し、放射線による影響をみる • 漏れ電流測定 時間変化を測定し、回復をみる 　　　今回はバイアス電圧を変えずに測定した

  7. 測定手順 測定手順 　　　（バイアス電圧は78.0V　） Gain測定 　 (LED電源のoutputを切って) NoiseRate測定 漏れ電流測定 同時進行 (測定時間　５時間) Gain測定 NoiseRate測定 ２５度で3時間　保存 漏れ電流測定 (再度バイアスをかけて) ○Gain,NoiseRate測定は、前後変化をみる ために、 できるだけ短い時間で終わらせる必要がある。 ↓ 測定時間の短縮が必要

  8. Gain(ADC Distribution) S :ADC 分解能 (0.25pc/Count) d: 1 p.e. mean – Pedstal mean A : Amp gain = 63 e : electron charge = 1.6 x 10-19 C 測定一回目 バイアスをかけた直後 全event数　10000 測定二回目 バイアスをかけた直後 全event数　10000 測定二回目 バイアスをかけてから14時間 全event数　100000 分解能が悪くなっており、Photon Countingが出来ない

  9. Noise Rate(Threshould Curve) Noise Rate:熱電子によって起こる雪崩によるsignal Threshould Curve 放射線をあててない MPPCのThreshold Curve（現行システム） バイアス電圧をかけた直後からのプロット オーダーは10MHzまで 達している 放射線をあててないMPPCでは 数十KHz 0.5 p.e. Threshold 1.5 p.e. Threshold

  10. Noise Rate(Threshould Curve その２) この波高領域が効いている 一度バイアス電圧を切ってから再度測定 Dark Noiseの数が多すぎて CAMAC Discriのgateに入りきっていないのではと思われる

  11. 漏れ電流 (Leakage Current) 半導体検出器に逆電圧印加時、熱電子によって 定常的な電流が発生 MPPCに光をあてていない状態で 回路内に流れる電流量を マルチメータで測定する 今回の測定では漏れ電流のピークは8μAで 東工大　松原さんの結果では10μA　まで達していることから、アニーリングは進んでしまっていることが分かる

  12. 今後の予定 • MPPCの放射線損傷に関する物理がまだはっきり分かっていない　　　　　　　　　　　 • GLD Calorimeterではある放射線量においてのMPPCの寿命がまだはっきり分かっていない • GLD dod(Detector outline document)や文献等をたどって調査→今後の照射実験の実験計画を練るのに不可欠　 • 照射実験 • γ線　　　東工大　 • Proton 　筑波大 ATLASグループが東北大で行っている照射実験に参加??

  13. Back Up

  14. γ線の照射の影響 • Total dose 効果 :照射量に比例して漏れ電流増加 - Bulk damage（Si層の格子欠陥） - Hole trap（SiO2層に正孔が捕獲される） - Surface damage (Si-SiO2境界面に正孔が蓄積) • 高波高ノイズ 効果 : ある照射量から大きく漏れ電流変化 　　　　　局所的に高電圧状態→高波高ノイズ発生

  15. 光子 25~100 mm ~ 1 mm MPPCの動作原理 Guard ring Al -conductor 光子 雪崩増幅 1pixelの断面構造 MPPC LED APD（Avalanche Photo Diode ）が1pixelを構成している MPPC駆動回路

  16. d • 30oC • 25oC • 20oC • 15oC • 10oC • 0oC • -20oC Gain Gainの理論式 Gainの算出式 C : Pixel Capacitance 傾きCは温度によらない V0: Breakdown voltage S:ADCSensitivity = 0.25pc/ADCcount A: Amp gain = 63 e : electron charge = 1.6 x 10-19 C Gainはバイアス電圧に対して線形に増幅し、その値は105以上あり、 GLD Calorimeterの要求を満たしている

  17. 0.5 p.e. Threshold 1.5 p.e. Threshold Noise rate Noise Rate:熱電子によって起こる雪崩によるsignal • 30 oC • 25 oC • 20 oC • 15 oC • 10 oC • 0 oC • -20 oC 温度、ΔVを下げるとノイズは減少する。 最大でも400kHzで、1Mhz以下の要求を満たす。

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