MPPC のテスト結果

MPPCのテスト結果 京都大学理学研究科高エネルギー研究室修士一年　田口　誠

テストしたサンプルと測定項目 • 311-53-1A-002-1,3,7(100ピクセル) • - ノイズレート、ゲイン、クロストーク率、PDE • 311-32A-002-3,4,5(400ピクセル) • -ノイズレート、ゲイン、クロストーク率、PDE、リニアリティ • 21-53-1A-13,14,16,17(100ピクセル) • -PDE、リニアリティ、ビームテスト、レーザーテスト • 1-63-1A(100ピクセル) • -レーザーテスト新しいサンプル新しいサンプル

ノイズレート測定 • MPPCは光を当てていない状態でも、熱によるピクセルの • 　放電が起こっている　(1p.eパルスが典型的） • 　測定は光を当てていない状態で、信号に対して • 　0.5p.e, 1.5p.e でスレッショルドをかけ、そのカウントレートをとったイベント数 0p.e 104 イベント数 103 1p.e 0.5p.e # event 102 2p.e 1.5p.e 10 電荷量

ノイズレート測定 ■ 0.5p.e スレッショルド ▲ 1.5p.e スレッショルド 311-53-1A-002-1(100) 311-32A-002-5(400) 1MHz 1MHz 100kHz 100kHz 15℃ 15℃ 20℃ 20℃ 25℃ 25℃ 68.4 69.6 68.4 69.4 バイアス電圧バイアス電圧

# event 0p.e 1p.e 電荷量青色LED ゲインの測定 Charge sensitive ADC • 1ピクセルが出すシグナルの大きさ（電荷量）をMPPCの1p.e.シグナルから求めるアンプ X10～100 MPPC 1p.e.の電荷量（Q）から MPPC ゲインを求める MPPC ゲイン Q = Q e・(アンプゲイン) 素電荷

ゲイン測定@T=20℃ ゲイン 311-53-1A-002(100) 3×106 21-53-1A-14(100) 1×106 311-32A-002(400) 0.5p.e スレッショルド　ノイズレート 500kHz 1MHz

クロストーク率測定 ランダムに取った電荷量分布 • ランダムにとったデータのうち、2p.e以上のノイズを1p.eノイズがクロストークしたものと考えるイベント数 104 103 クロストーク率 = 102 10 電荷量と計算できる 0.5p.e 1.5p.e

クロストーク率測定@T=20℃ 21-53-1A-14(100) クロストーク率 311-53-1A-002(100) 0.2 311-32A-002(400) 0.1 1MHz 0.5p.e スレッショルド　ノイズレート 500kHz

PDE 測定@T=15℃ 受光面と表面の保護膜との間に距離があるため、ファイバーを用いて読み出す場合、ファイバーからの光の広がりによる光量のロスがある →この影響を調べるため、次の2種類の測定を行った • ファイバーからの光を1mmφのスリットを通して入射させる • ファイバーをMPPCに直付けして、直接ファイバーからの光を入射させる(この測定ではファイバーからの光の広がりによる光量のロスが含まれたPDE,effective PDEを測定している) セットアップ青色LED 青色LED MPPC MPPC リファレンス用 ½インチPMT リファレンス用½インチPMT 1mmφファイバー 1mmφファイバー 1mmφスリットスキャンスキャン

PDE測定@T=15° • 縦軸の値はPMTとの相対的なPDE • クロストークの影響は差し引いてある ▲　PDE ■effective PDE 311-53-1A-002-7(100) 311-32A-002-5(400) 21-53-1A-14(100) 2 2 1 500 900 ノイズレート(kHz) ノイズレート(kHz) 500 900 550 900 400 900 ノイズレート(kHz) ノイズレート(kHz) ノイズレート(kHz) ファイバーからの光の広がりによって光量は50～60%になっている

PDEの個体差@T=15℃ • ノイズレート＝900kHzの時の値 311-53-1A-002 311-32A-002 21-53-1A • 個体差はあまりない • 311-タイプのPDEは21-53-1Aタイプ（これまでで最もPDEが高かったもの)と比べて2倍ぐらい大きい

青色LEDを十分遠ざけて、MPPCとPMTに同じ光量が入るようにする青色LEDを十分遠ざけて、MPPCとPMTに同じ光量が入るようにする MPPCに入る光量はPMTでモニターする光量を大きくしていき、PMTの出力に対するMPPCの出力の関係を調べるリニアリティ測定セットアップ一様光 PMT 青色LED MPPC

リニアリティ測定@T=15℃ リニアからのずれ 311-32A-002-3(400) ノイズレート=600kHz 10% ピクセル数、クロストーク率から計算される理論曲線 20% 直線でフィット 150 入射p.e 100p.e 入射p.e 200p.e リニアからのずれ 21-53-1A-14(100) ノイズレート=600kHz 10% 20% 30 入射p.e 25p.e 40p.e 入射p.e

生のシグナル 311-53-1A-002-1 ノイズレート=1345kHz 311-32A-002-5 ノイズレート=1246kHz ノイズレート>1MHzぐらいになると～10p.eに相当する大きなノイズが見られるようになる

セットアップ ビームテスト@KEK ビーム 64ch MAPMT MPPC • 21-53-1A-13,14,16,17のタイプを用いてビームによるシンチ+ファイバーの読み出しテストを行った MPPC パッケージ内での受光面の位置がサンプルごとにばらついているため、MPPCとファイバーのアラインメントを行った移動ステージでファイバーをスキャンし、 MPPCのシグナルが最大の点でファイバーの位置を固定した(誤差20%) 固定具ファイバー固定ネジ MPPC 固定具ファイバー(1mmφ) 21-53-1AタイプのMPPCを用いて、測定したPDEから予想される光量とほぼ同じ光量を得ることができた

Pとπの光量分布 1.2GeV 1.0GeV 0.9GeV 1.2GeV 1.0GeV 0.9GeV π p 0.8GeV 0.8GeV 0.7GeV 0.6GeV 0.7GeV 0.6GeV 0.5GeV 0.5GeV MPPC MAPMT

レーザーテスト 100μm • レーザーをピクセルごとに入射し、MPPCのピクセルごとのふるまいを調べた顕微鏡レーザーソース λ=825nm width 50ps • 用いたサンプルと測定項目 • 21-53-1A(100ピクセル) • -ピクセルごとのゲイン、efficiencyのばらつき • -ピクセル内でのefficiency分布 • 1-63-1A(100ピクセル) • -ピクセル内でのefficiency分布レーザースポットサイズ　≒10μm MPPC 移動ステージ 1μm ピッチ (x , y)

ピクセル内でのefficiency分布(21-53-1A) 受光面 70x70μm • １ピクセル内でレーザーを２次元スキャンし、各ポイントごとのEfficiencyを調べた 1ピクセル 10μm ピッチ真ん中の60μm×60μmにefficiencyのフラットな領域がある 100μm レーザー Efficiency 計 100 ポイント　スキャン 1p.e. y Efficiency= 全イベント数における０．５p.e.以上の割合 0p.e. x 100μm 100μm 0.5p.e.

ピクセルごとのゲイン、efficiencyのばらつき(21-53-1A)ピクセルごとのゲイン、efficiencyのばらつき(21-53-1A) y • ・レーザーをピクセルごとに入射し、ピクセルごとのゲイン、efficiencyの分布を調べた • ピクセルごとのレスポンスはよくそろっている x 計100ピクセルスキャン RMS/mean=3.6% RMS/mean=2.5% 相対efficiency 相対ゲイン 1.06 1.04 0.92 0.96 y y x x

1ピクセル内でのefficiency分布(1-63-1A) • このサンプルはLED光の全面照射によってゲインが2つに分かれているように見えていた→ピクセルごとにゲインがばらついている? • しかし、レーザーを1ピクセル内に照射しても、やはり2ゲインに見えた　　　　　　　　　　→ピクセル内でゲインがばらついていることがわかった 0p.eの割合小さいパルスの割合 0p.e 大きいパルスの割合電荷量 1-63-1Aの電荷量分布大きいパルスの割合は1ピクセルの有感領域と不感領域との境界付近で大きくなっている

まとめ • 新しく届いた311-タイプのMPPCについてゲイン、クロストーク率、ノイズレート、PDE、リニアリティを調べ、特にPDEは今までのものの2倍くらいになっていた • ファイバーを用いて読み出す場合、パッケージ構造による光量のロスは40～50%ぐらいあった • レーザーテストの結果、21-53-1Aタイプについてはピクセルごとのゲイン、efficiencyはよくそろっていた • 1-63-1Aタイプについては、2ゲインに見えた理由として1ピクセル内の有感領域と不感領域の境界付近で電子増幅率が大きくなっていることが考えられる

　　　　　これまでのサンプルのまとめ　　　　　　@ノイズレート=500kHz,T=20℃　　　　　これまでのサンプルのまとめ　　　　　　@ノイズレート=500kHz,T=20℃

supplement

Gain v.s Bias V all of 4 have 600 pixels Gain Rus#23 Rus#14 • Gain=3×105　～2×107 • dG/dV depends on • Capacitance of a pixel • T=20℃ Rus#20 Rus#22 bias voltage (V) Gain Gain HPK100f HPK100a HPK100d number of pixel HPK100e HPK400b HPK1600a bias voltage (V) bias voltage (V)

Noise Rate v.s Bias V　　(20℃) noise rate (Hz) noise rate (Hz) HPK100a HPK400b HPK100f HPK100d HPK100e HPK1600a bias voltage (V) noise rate (Hz) bias voltage (V) 0.5p.e threshold by pulse height 0.5p.e threshold by charge (in progress) RUS#14 RUS#23 RUS#20 RUS#22 1.5p.e threshold by pulse height bias voltage (V)

ゲイン測定 311-53-1A-002-1 311-32-1A-002-5 3×106 1×106 15℃ 15℃ 20℃ 20℃ 1×106 25℃ 25℃ 68.4 69.6 68.4 69.4 バイアス電圧バイアス電圧

X-talk v.s bias V by poisson law 5-31-22(1600) 1-43-22(100) X-talk possibility X-talk possibility 21-53-2A-3(100) 5-63-1A-2(100) 1-32-21(400) 21-53-1A-3(100) bias voltage (V) bias voltage (V)

HPK5-53-1A-11(100ピクセル) • ノイズレートが低いところ(312kHz)でも～10p.eに相当する大きなノイズが見られる

クロストーク率測定 311-53-1A-002-1 311-32-1A-002-5 15℃ 15℃ 15℃ 0.3 0.3 20℃ 20℃ 20℃ 25℃ 25℃ 25℃ 68.4 69.6 68.4 69.4 バイアス電圧バイアス電圧

1mm径の波長変換ファイバーを1mm径のスリットに接着1mm径の波長変換ファイバーを1mm径のスリットに接着 MPPCとPMTを2次元スキャンし、光量が最大の点を探す光量が最大の点でのMPPCとPMTのp.e数の比をPMTとの相対的なPDEとする MPPCのバイアス電圧を変えて測定 PDE測定　セットアップ PMT 青色LED こちら側から見た図 1mm径ファイバー MPPC(1mm2受光面) Y PMT ファイバー X PMTとMPPCをX,Y方向に2次元スキャン MPPC

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