GLD Calorimeter に用いられる
新型半導体光検出器MPPCの性能評価
2007年9月18日
宇宙史コースセミナー
素粒子実験研究室
山崎 秀樹
国際リニアコライダー
(International Linear Collider)計画
• 標準理論の裏づけにはヒッグス粒子を呼ばれ
る粒子の発見が必要
• その手段として、新たな高エネルギー加速器
をアジア、欧米各国で共同開発している
全長 30km
重心系エネルギー 1TeV
線形にすることにより、制動
放射を抑えられる
電子は内部構造をもたないた
め、backgroundが少ない
→精密測定に向いている
2
GLD(Global Large Detector)
Calorimeter
GLD 検出器の完成予想図
断面図
(ビーム軸上から見たもの)
衝突点から近い順に
バーテックス検出器
中央飛跡検出器
カロリメータ
μ粒子検出器
3
GLD Calorimeter for ILC
W/Pbによるサンプリングカロリメータ
サンドイッチ構造→WLSF( Wave-length shifting Fiber) readou
ジェット再構成法 PFA (Particle Flow Algorithm)
による、粒子の正確な分離
Electro-Magnetic
Calorimeter
細分化したStrip Scintillator
10mm×40mm×2mm
tungsten plate
膨大の数のChannel数→(~10MChannel)
強磁場の環境での使用(~3T)
PMTでは困難
PMTに代わる光検出器として
MPPCが採用される予定
particles
4
readout
MPPC (Multi Pixel Photon Counter)
• 浜松ホトニクス社と共同で開発している
次世代半導体光検出器
1mm
3 mm
1.3 mm
拡大
1mm
センサー面
真横からの図 真正面からの図
PMT
MPPC
Cost performanceが良い
Gainが高い(~105)
磁場耐性に優れている
軽量で非常にコンパクト
応答が非線形である
熱電子ノイズの発生
5
MPPCの動作原理
Guard ring
Al -conductor
光子
雪崩増幅
25~100 mm
1pixelの断面構造
MPPC
LED
~1
mm
6
MPPC駆動回路
光
子
APD(Avalanche Photo Diode )
が1pixelを構成している
MPPC Pulse Shape
1 p.e.
Pedestal peak
2 p.e.
1 p.e peak
2 p.e peak
1 p.e.の分解能が良い
7
MPPCの基本特性
 Gain:アバランシェ増幅による信号の増幅率
 Noise Rate:熱電子によって起こる雪崩によるsignal
 Closs talk:電子雪崩から生成された光子が隣のpixelで
電子雪崩を起こす
 Response Curve:入射光量に対する応答曲線
 P.D.E(Photon Detection Efficiency):
センサーに1光子が入射したときにそれを検出する
確率
Requirement for GLD
Calorimeter
Gain→少なくとも105以上
Dynamic Rangeの向上→1000 photo-electrons→数千
Pixelsが必要
Noise rate( Threshold=0.5 p.e)→1MHz以下
センサーの個体毎の性能のばらつきを抑える
Cross-talk が少ない
光子検出効率→30%
放射線耐性
これらの特性を探るべく、筑波大では1600pixel
MPPCの基本特性の測定を行った
9
Gain Set up
Noise Rate Set up
10
Gain
d
Q
Gain 
A e
Gainの算出式
Q :Charge
A : Amp gain = 63
e : electron charge
= 1.6 x 10-19 C
•30oC
•25oC
•20oC
•15oC
•10oC
•0oC
•-20oC
C
Gain  (VBias  Vo )
e
Gainの理論式
C : Pixel Capacitance
V0: Breakdown voltage
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
11
Calorimeterの要求を満たしている
Noise Rate:熱電子によって起こる
雪崩によるsignal
0.5 p.e.
Threshold
1.5 p.e.
Threshold
Noise Rate
• 30 oC
• 25 oC
• 20 oC
• 15 oC
• 10 oC
• 0oC
• -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
12
Cross-talk Probability
Cross-talk :
電子雪崩から生成された光子
が隣のpixelで電子雪崩を起こ
す
2 photo-electron signalを
Cross-talkによるものとする
Rate( 1.5 p.e.)
cross-talk率は温度に依存しない
PCrosstalk 
13
Rate( 0.5 p.e.)
P.D.E. (Photon Detection Efficiency)
Photon Detection Efficiency (P.D.E.)….光子検出効率
センサーに1光子が入射したときにそれを検出する確率
測定方法
PMT(HPK製 H1161GS)とMPPCでそれぞれ測定した光電子
数を比較し.P.D.Eを下の式から算出する
P.D.E.MPPC
NpeMPPC

 P.D.E.PMT
NpePMT
Set Up
PMT,MPPCに対して、同じ光量を当てるシステムが必要
MPPC
PMT
WLSF
LED
0.5 mm f Pin-hole
14
PDE [ % ]
P.D.E. Result
ILC-11025
2006.10
S1036211-025U
2006.12
ΔV ( = Vbias – V0 ) [ V ]
Gain = 3×105 で P.D.E. は 14~15%
P.D.E.のBias電圧依存性の理由:空乏層領域の変化
15
に伴う量子効率の変化
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、γ線を照射し,MPPC
の放射線耐性の評価をする
γ線照射実験@東工大
照射サンプルILC-11-025M sample#9.#12,#1
累積放射線量
sample#9
1krad/h 12時間照射
→12krad(120Gy)
sample#12 1krad/h 6時間照射
→6krad(60Gy)
sample#14 1krad/h 3時間照射
→3krad(30Gy)
60Co Source
MPP
60 Cm
C
放射線源: ~15TBq 60Co Source
γ-ray energy : 1.173MeV, 1.332MeV
Dose rate : distance dependence
(few % error)
放射線照射による影響
• Total dose 効果
照射量に比例して漏れ電流増加
- Hole trap(SiO2層に正孔が捕獲される)
→X線、電子、γ線
- 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
測定項目(照射後 )
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
Leakage Current 測定
時間変化を測定し、回復現象をみる
I-V Curveの測定
Total dose効果のみがみられる時に測定する
2015/11/18
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Leakage Current (照射中)
30Gy (3krad)照射サンプル(#14)
60Gy(6Krad) 照射サンプル(#12)
Leakage Current時間変化 (30gy 照射中)
Leakage Current時間変化 (60gy 照射中)
0.15
0.1
0.05
0
0
1
2
Time(hour)
3
4
Leakage Current(μA)
Leakage Current(μA)
0.15
0.1
0.05
0
0
2
4
6
8
Time(hour)
120Gy(12krad) 照射サンプル(#9)
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
2015/11/18
Leakage Current時間変化 (120gy 照射中)
12
Leakage Current(μA)
Leak Current 測定回
路
7
2
-3 0
3
6
9
12
15
Time(hour)
120Gyをあてたサンプルで
は高波高ノイズが発生してい
20
MPPC Pulse Shape (Radiation )
120照射サンプル バイアス電圧印加直後
(セルフトリガーでの波形)
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20mV 1600pixel)よりも高
い(>5p.e. height)
Leakage Current (照射後)
120GyをあてたSampleにバイア
ス電圧をかけ続けると、回復現象
がみられる
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
10
20
30
Time(hour)
1000
Current(-uA)
Leakage Current(μA)
Leakage Current時間変化 (120gy 照射後)
40
50
IVカーブ(照射後) semi-log
100
10
1
0.1
1
2
3
4
0.01
5
6
Before
After 30 gy
After 60 gy
After 120gy
0.001
ΔV(-V)
放射量によって漏れ電流が増加
120Gyをあてたサンプルでは高波高ノイズが発生し、
大きく漏れ電流が変化
Gain
Q
Gain 
A e
120Gy Sample#9
60Gy Sample#12
30Gy Sample#14
放射線量によってGainの直線グラフは
下方にシフトしている
照射前
Capacitance
V0
Sample#9 0.0233(pF) V0 75.481(V)
Sample#12 0.0228 (pF) V0 75.785(V)
Sample#14 0.0230 (pF) V0 75.972 (V)
照射後
Capacitance
0.0205 (pF)
0.0294(pF)
0.0222 (pF)
V0
V0 75.382 (V)
V0 75.870 (V)
V0 75.952 (V)
Noise Rate
60Gy
60Gy
30Gy
30Gy
照射量によってノイズレートは増加する
24
Cross talk Probability
60Gy
?
30Gy
Crosstalk率も照射量によって増加する
まとめと今後の予定
今回の測定ではTotal dose効果のみならばPhoton Counting
はできることが分かった(Noise Rateは)
高い電圧をかけると高波高ノイズが消えるようにみえる!?
→高い電圧かけ続け、アニーリングが進むか確かめる必要がある
Total dose効果では熱によるアニーリングは進むのか!?
→γ線ではBulk 損傷はない)
120Gyをあてたサンプルの赤外線発光観察をする
→電圧をかけながら、Gain,NoiseRateの測定
Proton、中性子線による照射実験(1600pixel MPPC)
GLD Calorimeter における各放射線量の見積もり
Back Up
2015/11/18
27
120Gy 照射Sample
2015/11/18
29
2015/11/18
30
温度モニター( γ線 照射中@照射室)
30 Gy (Sample#14)
(2007年 9月14日 10時53分開
始)
60 Gy (Sample#12)
(2007年 9月14日 10時53分開
始)
120 Gy (Sample#9)
(2007年 9月14日 19時25分開
始)
Leakage Currnet (サンプルの個体差)
IVカーブ(照射前サンプル比較)
0.025
0.02
Current(-uA)
0.015
Sample9
0.01
Sample12
Sample14
0.005
0
1
1.5
2
2.5
3
-0.005
ΔV(-V)
3.5
4
4.5
5
240Gy 照射サンプル 測定結
果
Gain(ADC Distribution)
S d
Gain 
A e
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
2015/11/18
測定二回目
バイアスをかけた直後
全event数 10000
Photon Countingが出来な
い
測定二回目
バイアスをかけてから
14時間
全event数 100000
34
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
0.5 p.e.
Threshold
1.5 p.e.
Threshold
2015/11/18
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
35
数十KHz
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
2015/11/18
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
36
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
Time Vs Leakage Current
9.00
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
2015/11/18
Leakage Current(μA)
8.00
7.00
6.00
5.00
4.00
3.00
2.00
1.00
0
5
10
15
20
25
30
Time(hour)
35
40
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
45
50
37
55
ホールが捕獲されることで禁制帯の中に新しいエ
ネルギー
東工大 松原さんのトラぺより抜粋
SIPM損傷試験:ADC [email protected]
照射前
(累積放射線量22.2krad)
2015/11/18
10krad/h*10h照射後は
photon counting出来てい
ない
(累積放射線量122.2krad)
41
ダウンロード

GLD Calorimeter に用いられるMPPCの性能評価