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APD を用いたシンチレータの波長変換 ファイバー読み出し系の開発. 京都大学理学研究科 平出克樹 次世代光センサーに関するワークショップ 2005 年 12 月 26 日 -27 日. Contents. Introduction APD の基本特性 読み出しエレクトロニクスの開発 APD 読み出し系の性能評価 まとめ. 1. Introduction. T2K 前置検出器として用いる シンチレータ飛跡検出器. 2m x 2m x 0.3m チャンネル数 ~10,000 最小イオン化粒子に対し 期待される光量 ~125x( 量子効率 ) p.e. - PowerPoint PPT Presentation
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APD を用いたシンチレータの波長変換
ファイバー読み出し系の開発
京都大学理学研究科 平出克樹次世代光センサーに関するワークショ
ップ2005 年 12 月 26 日 -27 日
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Contents
1. Introduction2. APD の基本特性3. 読み出しエレクトロニクスの開発4. APD 読み出し系の性能評価5. まとめ
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1. Introduction
• 2m x 2m x 0.3m• チャンネル数 ~10,000• 最小イオン化粒子に対し 期待される光量 ~125x( 量子効率 ) p.e.• 磁場 0.2T
シンチレータの波長変換ファイバー読み出しにアバランシェ・フォト・ダイオード(APD) が使えないか?
T2KT2K 前置検出器として用いる前置検出器として用いるシンチレータ飛跡検出器シンチレータ飛跡検出器
2m
0.3m
2m
波長変換ファイバー
棒状シンチレータ
ビーム
光検出器
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1. Introduction
T2KT2K 前置検出器として用いる前置検出器として用いるシンチレータ飛跡検出器シンチレータ飛跡検出器
APDAPD の利点の利点•量子効率が高い 低光量の検出に有利•磁場中で使用可•コンパクトである
APDAPD の欠点の欠点•自己ゲインが低い 低ノイズ増幅器が必要•温度依存性が大きい
2m
0.3m
2m
波長変換ファイバー
棒状シンチレータ
ビーム
光検出器
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2-1. APD の基本特性
1cm
HAMAMATSU S855032ch Si APD アレイ
ピクセルサイズピクセルサイズ 1.6 x 1.6 mm1.6 x 1.6 mm22
ピクセル間隔ピクセル間隔 2.3 mm2.3 mm
動作温度動作温度 -20~+60 -20~+60 ooCC
有感波長帯域有感波長帯域 320~1,000 320~1,000 nmnm
ピーク感度波長ピーク感度波長 600 nm600 nm
量子効率の波長依存性
量子効率量子効率 ~80% @~80% @500nm500nm(( 波長変換ファイバーのピーク波長で波長変換ファイバーのピーク波長で ))
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2-2. APD のゲイン - バイアス曲線
20 oC10 oC
0 oC-10 oC-20 oC
ゲイン (M) のバイアス電圧係数
dV
dM
M(M)kV
1
kkVV = 5.5%/V @M=100 = 5.5%/V @M=100
ゲイン (M) の温度係数
dT
dM
MMkT
1)(
kkTT = -5.5%/ = -5.5%/ooC @M=100C @M=100
)V(
)V(
V 10ADC
ADCGain
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2-3. APD のダークカレント
20 oC
10 oC
0 oC
• 室温 (20oC), ゲイン 100 倍 において、 IIdarkdark ~ 3.3 nA/channel ~ 3.3 nA/channel
• 冷却するとダークカレント は減少する。 +20+20ooCC-20-20ooCC で約で約 1/701/70 にに
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3-1. 読み出しエレクトロニクスの概要
VA32ch APD Amp
To VMEDAQ board
Biasfor APD
12
cm
20 cm
A/D 変換増幅・シリアル化
32chAPD アレイ
VA(ASIC)
VMEDAQ ボード
OP amp.(AD8058)
DAQPC
フロントエンドボード
プロトタイプフロントエンドプロトタイプフロントエンドボードボード
VME DAQVME DAQ ボーボードド
10 倍増幅
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3-2. VA による信号の増幅・シリアル化
IDEAS VA1
VA によるシリアル化の概略図 VA からの信号のタイミング図
・・・ 128 チャンネルの入力ラインをもつ 低ノイズ preamplifier-shaper 回路
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3-3. VME DAQ ボード
VME DAQ ボード• フロントエンドボードからのアナログ信号を A/D 変換を行う (12-bit flash ADC) 。
• VA 読み出しシーケンスの制御を行う。
• VA にテストパルスを送ることにより、各チャン ネル毎にキャリブレーションができる。
K2K 前置検出器 SciBar のために開発されたもの。
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4-1. 読み出しエレクトロニクスの基本性能
入力電荷に対する応答 直線フィットからのずれ
テストパルスを用いた入力電荷に対する線形性の測定結果
正の電荷に対して約 20MIP( 最小イオン化粒子 )に対応する 30fC まで ±2% 以内
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4-1. 読み出しエレクトロニクスの基本性能
ノイズレベルの分布
各チャンネルのゲイン、ノイズレベルの測定結果
1,000~2,000 electron RMS
チャンネルによってかなりばらつきがある
75~100 mV/fC
ゲインの分布
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4-2. 期待されるノイズレベル
2dark
2load ENCENCRMS] [ ENC -e
s][
[pF] 8200RMS] [ ENCload p
d- Ce
[nA] s][ 106RMS] [ ENCdark dp- Ie
期待される VA のノイズレベル
~390 electrons RMS
ダークカレントによるノイズダークカレントによるノイズ
入力負荷容量によるノイズ入力負荷容量によるノイズ
測定されたノイズレベルは期待されるVAのノイズレベルよりはるかに大きい
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4-3. テスト電荷に対する VA の出力波形
入力に何もつながっていないチャンネル
APD 読み出しに用いているチャンネル
入力に何もつながっていないチャンネルに比べPeaking time が短く、オーバーシュートがある。
アセンブリの際に VA にダメージが与えられてしまったように思われる。
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4-4. APD 読み出し系の性能評価
• LED のパルス光を波長変換ファイバーを通して APD に入射させる• 性能比較および光量モニターのため、 PMT でも同時に測定する• 恒温槽で温度を 0.1oC 以内で一定に保つ
LED
PMT
1.0mm WLS fiber
1.2m
APD front-endelectronics
Temperature chamber
back-endVME module
LED
PMT
1.0mm WLS fiber
1.2m
APD front-endelectronics
Temperature chamber
back-endVME module
PMTLED
Temperature chamber
APD front-endelectronics
1mm WLS fiber
VME DAQboard
1.2m
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4-4. APD 読み出し系の性能評価
LEDイベント
ペデスタル
PMT での測定 光量 :18.6 p.e. 分解能 : 23.8%
LED
PMT
1.0mm WLS fiber
1.2m
APD front-endelectronics
Temperature chamber
back-endVME module
LED
PMT
1.0mm WLS fiber
1.2m
APD front-endelectronics
Temperature chamber
back-endVME module
PMTLED
Temperature chamber
APD front-endelectronics
1mm WLS fiber
VME DAQboard
1.2m
最小イオン化粒子が厚さ 1cm のシンチレータを通過したときの信号と同程度
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4-5. 常温 (20C) でのパフォーマンス
APD 読み出し系の ADC 分布
得られた信号は期待値の期待値の約約 65%65% 。
ファイバーの受光面への接触不良 , 量子効率の不定性
ペデスタルの幅はエレクエレクトロニクスのノイズトロニクスのノイズが決めている。改善の余地あり
PMTPMT より良い分解能より良い分解能が得られた。
APDAPD ゲイン ゲイン ~ 100~ 100S/NS/N 比比 ~ 7.0~ 7.0
分解能 分解能 ~ 18.6%~ 18.6%
)(
)(/
ペデスタルの幅シグナルの大きさ
NS
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4-6. 低温 (-10oC) でのパフォーマンス
APD 読み出し系の ADC 分布
APDAPD ゲイン ゲイン ~ 250~ 250S/NS/N 比比 ~ 18.5~ 18.5
分解能 分解能 ~ 16%~ 16%
冷却することで APD の自己ゲインが大きくなり、 S/N 比が向上した。
)(
)(/
ペデスタルの幅シグナルの大きさ
NS
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5. まとめ
APD を用いたシンチレータの波長変換ファイバー読み出しシステムの開発を行い、その性能評価を行った。常温で、最小イオン化粒子からの信号に相当する入
射光に対し、 S/N~7 が得られた。ノイズレベルはエレクトロニクスのノイズが支配的
で、改善の余地がある。エネルギー分解能は PMT より良い。冷却することによりさらにパフォーマンスは上がる。ただし、温度コントロールをする必要がある。
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Backup slides
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VA による信号の増幅・シリアル化
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VA による信号の増幅・シリアル化
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フロントエンドボードのノイズ対策
APD バイアス電源ライン
にバイパスコンデンサを実装した
VA の電源ラインに多くのバイパス
コンデンサを実装した
APD バイアス電源のGND とボードの GND
を太いケーブルでつない
だ
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コモンモードノイズ
読み出しエレクトロニクスのノイズの測定結果 あるチャンネルの
ペデスタルの ADC 分布
-- あるチャンネルのもとの ADC 分布-- コモンモードノイズを差し引いた後の ADC 分布
全チャンネルに共通にのっているノイズがまだ存在している
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