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 Contents • Introduction • MPPC Signal & p.e peak • Gain, Noise Rate, Cross talk Measurement • Summary • Fine Grained Detector in T2K Near Detector • Requirement for the Photo Sensor • About MPPC, Motivation 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

Fine Grained Detector (FGD) on-axis off-axis Fine Grained Detector 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 fine grained detector 光検出器に課せられる要求 • 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 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

5mm compact size ! Advantage of Multi Pixel Photon Counter PMT APD MPPC high gain low bias V Dynamic Range ～1600 low cost is expected 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

MPPCの動作原理 個々のAPD pixel 100～1600 APD pixels /mm2 1pixel • 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) Quenching Resister 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 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

測定のMotivation Motivation 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 • 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) Pixel 100～1600 Bias V 34～74 (v) 受光面1mm2 Signal width 5～100ns 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

raw signal Signal & p.e peak 1p.e 2p.e LEDによるシグナルを確認した HPK100a 3p.e 1mV/div 100ns/div さらに、p.e ピークを見ることができた Great Performance for Photon Counting! HPK100a V=48.0 by blue LED 最大で45 p.e ピークまでの観測に成功した number of event 30p.e ピーク毎の間隔は2％以内で一致していた pixelごとにGainがよく揃っている adc count

event number 0p.e 1p.e adc count Gain の測定 20ns pulse gate generator Blue LED clock generator • 　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 gate WLS preamp ADC MPPC charge sensitive ×10 ～100 calculate MPPC gain from 1p.e-0p.e count

Gain v.s Bias V (20℃) Quenching Resister シグナル幅= Cpixel×Rquench • Gain=1×105～2×107 • dG/dV =Cpixel /1.6×1019 known value よく一致した Pixelが持つcapacitance ×104 ×103 Gain Gain HPK400b HPK100a 47 48.4 47.5 49.5 bias voltage (V) bias voltage (V)

Gain v.s Bias V Gain Rus600d Rus600a • Gain=3×105～2×107 • dG/dV depends on • Capacitance of a pixel • T=20℃ Rus600b Rus600c bias voltage (V) Gain Gain HPK100f HPK100a HPK100d number of pixel HPK100e HPK400b HPK1600a bias voltage (V) bias voltage (V)

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 0.5p.e or 1.5p.e th # event 0p.e MPPC output adc MPPC output discriminator scaler 1p.e random gate no LED no LED 0.5p.e take as noise 1p.e pulse 0.5p.e adc count

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 よく一致している RUS#14 RUS#23 RUS#20 RUS#22 1.5p.e threshold by pulse height bias voltage (V)

Cross talk Rate measurement 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を • 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 integrationをとる（p.eごと） 1p.e #event by LED 2p.e ratio Cross Talkによるポアソン統計からのずれが見られる 3p.e adc count ratio HPK400b V=48.6 HPK400b V=47.8 ポアソン統計 1p.e ratioの減少分から Cross Talk Rateを導くデータ p.e# p.e# low voltage ではよく一致する

HPK1600a X-talk Rate HPK100f HPK100d HPK100e bias voltage (V) X-talk v.s bias V (２０℃) Rus600d X- talk Rate Rus600c X- talk Rate 測定誤差の範囲内で一致している Rus600b Rus600a by poisson law by noise rate HPK100a HPK400b bias voltage (V)

Photon Detection Efficiency measurement (rough measurement yet) • 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恒温槽　20℃ y 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） blue LED 10ns MPPC x 移動ステージ約40cm

Signal (p.e) v.s Noise Rate signal height (p.e) 21-53-2A-3(100f) 5-63-1A-2(100d) 21-53-1A-3(100e) 1-32-21(400b) 5-31-22(1600a) RUSSIA14 (600a) 1-43-22(100a) noise rate (Hz)

noise rate (Hz) noise rate (Hz) HPK400b HPK100a Gain Gain

noise rate (Hz) noise rate (Hz) RUS600a HPK100f HPK100e RUS600b RUS600c RUS600d HPK100d Gain Gain

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 bias Vを上げていくと V=41.7 V=47.0 大きくなる Geiger dischargeがその上に見え始める 1mV/div 100ns/div V=10程度でも見られる。 Geiger dischargeだとは考えにくい

V=47.0 no LED 100pixel中,数pixel だけがガイガーモードになっている？ LED 2V LED 3V pixelごとにbreak down voltageがばらついている可能性がある Geiger dischargeではない成分 LED 5V 100pixel 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 some the others Geiger mode Avalanche mode

Unknown Behavior 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 number of event HPK1-63-1A-22 by LED 可能性 • ピクセルごとの　　Gainのばらつき • ピクセル間の • X-Talk 大きさの異なる2通りのピークがみられた HPKに聞いたが、原因は分からず adc count

Noise Rate, X-talk Rate v.s Gain Noise Rate<1MHz noise rate (Hz) X-talk Rate < 35% 　～ cross talk Rate 0.4 HPK100f HPK400b 106 RUS600b HPK100a HPK100d 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 HPK100d HPK100e HPK100f HPK100e HPK400b RUS600b HPK100a 106 107 106 107 Gain Gain

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 • 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% 　～ 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

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を押さえる問題点 • 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

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 100p.e saturation number of event 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 HPK100a V=48.0 100pixel中30pixel だけがガイガーモードになっている？ 30p.e HPK100a V=47.2 LED full intensity 100pixel 30 70 Geiger mode Avalanche mode adc count pixelごとにbreak down voltageがばらついている可能性がある

HPK400a V=47.5 V=48.5 V=48.3 V=49.0 V=49.6 V=48.8 V=50.1 V=50.85 V=49.8

Pixel Saturation 時の信号波形 100ns 100ピクセルSiPMにLED (10ns)で大きな光量を入れ、 saturation signal をみた 5mV 500mV long tail 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 1 p.e signal saturation signal HPK21-53-1A-3 (100pixel) 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 • Possibility that pixel’s gain are divided • to two pattern number of event • such a behavior • was seen in • HPK’s 4 SiPMs • currently we are • researching this in detail HPK100b ? p.e peak adc count

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℃) 106 noise rate (Hz) 105 104 103 HPK100a HPK400b 102 47 49 bias V (V) 0.5p.e threshold by pulse height よく一致している 0.5p.e threshold by charge 1.5p.e threshold by pulse height

T2K Near Detector のための光検出器 MPPC(SiPM) の性能評価