新型光検出器 MPPC の開発

新型光検出器 MPPC の開発新型光検出器 MPPC の開発

修士課程二年高エネルギー研究室　信原　岳

Contents

• Introduction

(MPPC,T2K 前置検出器 )

• MPPC の基礎特性評価　（ゲイン、ノイズレート、検出効率 )

• レーザーによる基本動作テスト• ビームによる実用的テスト• Summary

MPPC (Multi Pixel Photon Counter) とは ?

• 近年、開発が盛んになっている　　　新型光検出器である• まだ開発途上の段階であり製品化、実用化

には至っていない。

しかし、

1. コンパクトである2. 磁場内でも使用できる3. 安価であることが期待される4. 低いバイアス電圧（～ 70V ）で動作する5. 光電子増倍管と同程度のゲイン及び検出効率を有する

ことから、その性能に注目が集まっている。

2009 年開始予定の T2K ニュートリノ振動実験において使用が計画されている

現在、浜松ホトニクス (HPK ）、ロシアの CPTA 社などで主に開発が進められており、

T2K 実験前置検出器

• 大量の光ファイバーの狭い　　　　スペースでの読み出し　　　　　　　　　コンパクトで安価• 高磁場 (0.2T)の環境下　　　 (PMTは使用できない )

　　　　　　　　磁場内でも動作が可能　　

MPPC が T2K での使用に適している

MPPC の実用化の可能性を詳しく評価するため、 HPK 製の試作品を使って ,

T2K で使用するための定量的な要請を満たしているかどうかの評価を行った。

前置検出器がもつ条件　　　　光検出器に対する要請

シンチレータからのファイバー読み出しを行うための光検出器が必要

Fine Grained Detector

MPPC の動作原理　受光面に 1mm2 当たり～ 103 の　 APD ピクセルが配置される

構造

1 ピクセル

ガイガーモードで動作する、すなわち　•　フォトンを検出すれば、その数によらず　一定の電荷 Qpixel を放出する。　•　増幅率 (Qpixel / e ) は～ 106

LED からの光を入射させたときのシグナルの電荷量分布

全ピクセルからのシグナルの総和が MPPC シグナルとなる。

1mm

MPPC シグナルの電荷量分布を取るとフォトンを検出したピクセル数ごとにきれいに分かれたピークが見られる

0

1

23

4

5

電荷量

イベ

ント

数

6

MPPC は優れたフォトンカウンティング能力を持つ

性能評価の流れ1. ゲイン >5x105 、ノイズレート <1MHz 、検出効率 >15%

2. 各々のピクセルが正しく動作しているか

バイアス電圧、温度依存性を測定

ビームテストの結果から評価

レーザーテストの結果から評価

T2K からの基本的要請

基礎的な動作確認

これらの測定は、 HPK 内ではされていない。よって今回の評価は、T2K だけでなくこれからの MPPC の開発においても貴重な情報となる。

これから、 HPK21-53-1A という 100 ピクセルのサンプルの評価結果を示す

3. シンチ＋ファイバー読み出しにおいて、MIP( 最小イオン化粒子 ) に対して 5p.e. 以上の光量、さらに p/πの識別

T2K からの応用的要請

ゲインの測定バイアス電圧 (Vbias) 、温度 (T) 特性を測定した。

青色の光によるシグナルの電荷量分布における 1p.e. － 0p.e. から、　ゲイン　 = Qpixel / 　 e 　を求めた

ゲインの変化はΔV = 0.1V 　に対し 7.5%ΔT = 1℃ 　に対し 5.0% 　となった

ピクセルの簡単な動作モデルからの予想

これは測定結果と良く一致した。

25℃20℃15℃

バイアス電圧 (V)

ゲイ

ン　

(x10

6 )

LED MPPC

シグナル

電荷量分布

0p.e.

1p.e.

電荷量

　グラフの傾き　 = Cpixel

e=

シグナル幅e×Rpixel

ゲイン -Vbias はリニアな相関がある。

測定方法

わかっている値

T2K の制限T2K からの要請を全ての動作領域でみたしている

1p.e.

2p.e.

3p.e.

2p.e.

3p.e.

25℃20℃15℃

ノイズレートの測定

ピクセルは熱電子によっても、フォトンによるものと同じ Qpixel の電荷を放出する。ランダムに起こるという点以外はフォトンによる Qpixel と区別できない

MPPC が持つ熱電子ノイズ

熱電子ノイズ（大半が 1p.e. パルス )

LED 光によるシグナル

光を当てていない状態での MPPC の信号に対し、 0.5p.e. と 1.5p.e. の波高でthreshold をかけて、カウントレートを取る

測定方法


ノイ

ズレ

ート

(M

Hz)

25℃20℃15℃

○　 0.5p.e. threshold

▽　 1.5p.e. threshold

1MHzノイズレートの変化はΔV = 1.5V 　で 5 倍ΔT = 10℃ 　で 1.5 倍となった

広い範囲でT2K からの要請をみたしている

1桁小さくなる

検出効率の測定

PMTに、MPPCと同じ大きさの入射窓を作る

測定の setup

PMT と MPPC との得られた光量 (p.e.)の比から、 MPPC の検出効率を出した

MPPC の検出効率　

一様

光

測定方法

20℃ で、バイアス電圧特性を見た。

＝

×PMT の検出効率 (20%)PMT 　 (p.e.)

MPPC 　 (p.e.)

T2K の制限

バイアス電圧を上げると 3 倍程度大きくなる

高バイアス電圧でT2K からの要請をみたしている M

PP

Cの

検出

効率

　(%

)


20

10

1. MPPC の基礎特性評価　（ゲイン、ノイズレート、検出効

率 )

2. レーザーによる基本動作テスト

3. ビームによる実用的テスト

広い Vbias, T の領域で要請を満たすことがわかった( T=20 ℃ のとき、 Vbias=70.8 ～ 71.8)

性能評価の流れ

レーザーを使ったテスト

　レーザーでピクセルごとに光を入射し、　 MPPC のピクセルごとの応答を調べる

顕微鏡

レーザー源

波長 : 825nm時間幅 : 50ps

移動ステージ1μm ピッチ (x , y)

レーザースポットサイズ　は 10 ～ 20μm

動機

顕微鏡の画像

MPPC

• 1 ピクセル内での検出効率の分布

• ピクセルごとの　ゲイン、検出効率　のばらつき

の測定を行った

100μm

全ピクセルきちんと動作しているか。製品開発においても重要な情報。

1 ピクセル内での検出効率分布

100μ

m

1 ピクセル

レーザー

10μm ピッチ１ピクセル内でレーザーを２次元スキャンし、ポイントごとの検出効率を調べた

計 100 ポイント　スキャン

電荷量分布@ 1 ポイント

検出効率　 =全イベント数における０．５ p.e. 以上の割合0p.e.

1p.e.

0.5p.e.

ポイントごとの検出効率

x

y

真ん中の 60x60μm2

に平坦な領域をもっていることがわかる

100μm100μm

受光面70x70μm

ピクセルごとの応答のばらつきピクセルごとにレーザーをスキャンし、ピクセルごとのゲイン、検出効率を調べた

ピクセルごとに中心部分に当てる

計 100 　ピクセル　スキャン

yy

x

x

１ピクセルの相対検出効率

ピクセルごとの応答が非常によく揃っていることが確認された

1mm

1mm

1mm1mm

ピクセルごとのばらつき= ３．６％ (r.m.s./mean)

１ピクセルの相対ゲイン

ピクセルごとのばらつき= ２．５％ (r.m.s./mean)

1. MPPC の基礎特性評価　（ゲイン、ノイズレート、検出効

率 )

2. レーザーによる基本動作テスト

3. ビームによる実用的テスト

性能評価の流れ

64ch MAPMT(as reference)

ビーム

シンチレータ 1.3x2.5x50 cm3ファイバー 1mmΦ

MPPC

4 layers

ビームによるシンチ＋ファイバー読み出しのテスト

• 0.5 ～ 1.4GeV/c• proton & pion• ～ 100 event/spill• beam size 1x1cm2

前置検出器と同じ読み出し条件で、 MPPC は T2K の要請を満たしているか。

動機

4ch 全てのビームによる MPPCシグナルを見ることができた

MIP に対して 5p.e.以上の光量

setup

p と π の識別ができる

ビームテストの結果T2K の基本要請を満たす Vbias の領域で、 MIP により 5 ～ 14p.e.の光量が得られた。　　 (MAPMT では 18.0 p.e.)これは、ファイバーと受光面間の光量のロス ( 約 50%)を考えると検出効率の測定と一致する結果である。

MPPCファイバー

受光面ギャップが存在

MIP により得られた光量分布

p.e.

#ev

en

t

Mean = 13.3p.e.

1.2GeV/c 0.9GeV/c 0.8GeV/c

0.7GeV/c 0.6GeV/c 0.5GeV/c

p.e. p.e. p.e.十分な光量が得られている

pπ

運動量ごとの p,π による光量分布

p と π を識別可能である

Summary

• 　ゲイン～ 3x106 , ノイズレート～ 1MHz , 検出効率～ 26%• 　シンチ＋ファイバー読み出し（実機と同じ条件）で、　　　　　　 MIP により、～ 14 p.e. の光量が得られた　　　 p と π を識別できた• レーザーテストにより、ピクセルごとに応答がよく揃って　いることが示された

新型光検出器 MPPC の動作を確認し、性能評価の方法を確立した。

(T2K の基本的要請を満たすバイアス電圧において）

•　 100 ピクセルではダイナミックレンジが不足している。　　 T2K には 200 ピクセル以上が必要である T2K の要請を満たさない点

T2K の要請を満たす点

最近、 400 ピクセルで T2K の要請を満たすサンプルが確認された

今回の評価結果により、MPPC が T2K 実験で十分に使用可能な性能を持つことが示された。

性能を評価したサンプルの測定結果

Supplement

HPK 製 MPPC におけるファイバーのalignment

HPK 製 MPPC の受光面とパッケージの位置関係

• Z 方向 : 透明カバーと受光面に隙間が存在　　　　　受光面‐ファイバー間距離は 0.8mm となる

• X,Y 方向　 : サンプルごとにばらつきがある　　サンプルごとにファイバーの位置合わせを行った

Y

X

Z

0.8mm

ファイバー (1mmφ)

固定

具

ファイバー固定ネ

ジ移動ステージでファイバーをスキャンし、MPPC シグナルが最大の点でファイバーの位置を固定した

X 、 Y 方向位置合わせ

MP

PC

X,Y 方向の位置のずれにより最大 20%,Z 方向の隙間により約 60％の光量のロスが存在

現段階のパッケージ構造によるもので、デバイスの性能からくるものではないファイバーから 40° で一様に光が広がっているとした場合の値

ADC カウント

#eve

nt

Mean = 6.5 p.e.

0.7 GeV π

HPK1-43

30p.e

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

1p.e

2p.e

integration をとる（ p.e ごと）

by LED

3p.e

adc count

#eve

nt

ratio

HPK400bV=47.8

p.e#low voltage ではよく一致する

ポアソン統計データ

Cross Talkによるポアソン統計からのずれが見られる

HPK400bV=48.6

p.e#

ratio

1p.e ratioの減少分からCross TalkRateを導く

バイアス電圧　 (V)


クロ

スト

ーク

確率

クロ

スト

ーク

確率

p/π Separation

1.2GeV 1.0GeV 0.9GeV


0.5GeV



0.5GeV

MPPC(PDE70%)

MAPMT(PDE100%)

πp

Mean r.m.s.

MPPC 13.3p.e. 6.2p.e.

MAPMT 18.0p.e. 6.6p.e

MIP によるシグナルの Mean,r.m.s.

SiPM ID

5-31-22

(1600a)

1-21A-21

(1600b)

1-22-2A-2 (400a)

1-32-21

(400b)

1-43-22

(100a)

1-63-1A-22 (100b)

1-63-1A-23 (100c)

5-63-1A-2

(100d)

21-53-1A-3 (100e)

21-53-2A- 3 (100f)

ピクセル数

ピッチ(μm)

Vb(V) シグナル幅（ ns)

quench抵抗 (kΩ)

1600 25 79 5 135

1600 25 55 5 135

400 50 55 10 180

400 50 53 10 108

100 100 52 100 270

100 100 54 60 270

100 100 53 60 270

100 100 53 40 270

100 100 75 12 42

100 100 76 40 147

構造

type4

type1

type1

type2

type5

type1

type1

type3

type6

type6

Vr(V) Id(nA)

73.5 4.6

49.5 19

48.7 4.7

48.4 54

48.4 625

49.6 15

48.1 48

72.7 24.7

70.6 21.7

70.6 19.8

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

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