新型光検出器 MPPC と その読み出しエレクトロ

新型光検出器MPPCとその読み出しエレクトロニクスの開発

田口誠

高エネルギー研究室内容T2K実験Multi-PixelPhotonCounters(MPPC)基礎特性レーザーテスト読み出しエレクトロニクスまとめ

出現事象の探索

消失事象の精密測定

T2K

実験J-PARCSuper-Kamiokande目的T2K前置検出器の光検出器総チャンネル数

~60,000

コンパクト、低価格0.2Tの磁場

磁場への耐性粒子検出効率光量が大きいこと

target0.2TmagnetMagnetシンチレータ＋波長変換ファイバーによる読み出しT2K実験に向け新型光検出器MPPCの開発を行ったT2K前置検出器Multi-PixelPhotonCounter(MPPC)多数のガイガーモードAPDピクセルからなる半導体フォトンカウンティング素子2年前から浜松ホトニクス社と共同で開発PMTMPPCサイズ~10cm5mm磁場での使用×○ゲイン~107~106光子検出効率~15%30~45%優れた特性1ピクセルの動作原理クエンチング抵抗ガイガーモードAPDVbd

：ブレイクダウン電圧Vbias：印加電圧ガイガー放電リニアモードガイガーモードクエンチング

=Cx(Vbias-Vbd)

=~106

xeVbias電流~100fF~1V1ピクセルが出すチャージQフォトン充電MPPCの動作原理各ピクセルではフォトンが入ったか入らなかったかだけがわかるMPPCの出力は各ピクセルからの出力の和入射フォトンの数に比例したシグナル1フォトン2フォトン3フォトン基礎特性の評価テストサンプル・・最新(2006年10月)の100,400ピクセルテスト項目

・・・生シグナル

ゲイン

光子検出効率

ノイズレート

クロストークレート

リニアリティ

リカバリータイム

今回詳しく紹介する（20℃のデータ)MPPCの基礎特性がT2Kの要求を満たすか？動機生シグナルLED1フォトン2フォトン.出力オシロスコープ、ADCフォトンMPPC優れたフォトンカウンティング能力1フォトン2フォトン0フォトン0フォトン60nsゲイン0フォトン１フォトンゲイン=Q/eQ1.0x106~3.0x106

印加電圧に対しリニアQ=C(Vbias-Vbd)印加電圧(V)10003000MPPCPMT1mmφスリットファイバーLEDセットアップ光子検出効率(PMTとの相対値)印加電圧(V)緑色の光に対しPMTの2~3倍の光子検出効率=MPPCの出力PMTの出力光子検出効率23ノイズレート印加電圧(V)(kHz)1.5フォトン閾値0.5フォトン閾値0.5フォトン閾値ノイズレート<500kHz1.5フォトン閾値ノイズレート<100kHz1フォトンノイズが典型的MPPCは光を入れなくても熱によるノイズを出す光を入れない状態で、0.5フォトン,1.5フォトンの閾値を設定し、それを超えるパルスの数を数える1フォトン2フォトン0.5フォトン1.5フォトン500100レーザーテストピクセル内、ピクセルごとの応答にばらつきが生じていないか？製品開発において重要な情報移動ステージMPPCセットアップ動機テスト項目:ピクセル内、ごとのゲイン、光子検出効率の一様性RMS/mean=2.0%よくそろっている緑色レーザー2um10umピッチMPPC読み出しエレクトロニクスT2K実験では~60,000個のMPPCを用いるコンパクト、マルチチャンネルの読み出しエレキが必要動機14mmch1ch2ch32ch1ch2ch32Trip-tパラレルシリアルチャンネル数321Trip-tチップ:フェルミ研で開発tTrip-tを用いたMPPC読み出しLEDテストボード(4ch)4chのMPPCの同時読み出しができたX432chのボードを製作し、MPPCの大量サンプルテストを行う予定MPPCフォトンピークまとめT2K実験に向けMPPCの開発を行ったゲイン0.5フォトン閾値ノイズ1.5フォトン閾値ノイズ光子検出効率性能1.0~3.0

X106100~500kHz10~100kHz30~45%要求~106<1000kHz<50kHz>~15%T2Kの要求を満たすサンプルができているMPPCの多チャンネル読み出しエレクトロニクスの開発に成功100ピクセル20℃MPPCはT2Kで使用可能backupクロストークガイガー放電中に発生したフォトンが隣のピクセルのガイガー放電を引き起こすことクロストークレート

festimated:ペデスタルの割合からポワッソン統計を仮定して求めた1p.e.の割合fobserved:測定された1p.e.の割合=1-festimatedfobservedクロストークレート100ピクセル400ピクセル15度20度25度VbiasVbiasゲイン100ピクセル400ピクセル15度20度25度VbiasVbiasノイズレート(kHz)(kHz)15度20度25度1.5p.e.th.0.5p.e.th.0.5p.e.th.1.5p.e.th.VbiasVbias100ピクセル400ピクセル光子検出効率100ピクセル400ピクセル15度20度25度VbiasVbiasリニアリティ紙セットアップMPPCの入射光量をPMTでモニター予想曲線MPPCPMTNfired

:ガイガー放電を起こしたピクセル数N0:ピクセル数c:クロストークレートx:入射p.e.数LED100ピクセル400ピクセル+10%+20%-10%-10%XXNfiredNfired予想からのずれデータデータ予想予想XXリカバリータイム:クエンチングにかかる時間100ピクセル400ピクセルリカバリータイム<100ns1ピクセル内の検出効率の分布検出効率=全イベント数0.5p.e.以上のイベント数RMS/mean=2.0%1ピクセル内のクロストークレートの分布クロストークレート=0.5p.e.以上のイベント数.1.5p.e以上のイベント数ピクセルのエッジの方が大きいピクセルごとのクロストークレートの分布端のピクセルの方が低いT2Kからの要求項目要求どこから？面積1.2x1.2mm21mmΦのファイバーピクセル数100/400100p.e.までのダイナミックレンジゲイン~106エレクトロニクスノイズレート<1MHzアクシデンタルヒット

光子検出効率>15%光量時間分解能.2-3nsTrip-t読み出し原理MPPC入力(ch1)プレアンプintegrateプレアンプ出力マルチプレクサ出力01233ch1Trip-t出力MPPC読み出しセットアップFADC-+オペアンプTrip-t+5V-5VDigitalwavegenerato