Upload
calvin-michael
View
95
Download
2
Embed Size (px)
DESCRIPTION
【 MPPC for T2K experiment 】. S.Gomi, T.Nakaya, M. Yokoyama, M.Taguchi, (Kyoto University) T.Nakadaira, K.Yoshimura, (KEK). for KEK-DTP photon sensor group. Apr.10.2007. Improvement of performance. ノイズレート. ゲイン. 光子検出効率 (PDE). クロストークレート. The device-by-device variation of performance. - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
【 MPPC for T2K experiment 】
S.Gomi, T.Nakaya,
M.Yokoyama, M.Taguchi, (Kyoto University)
T.Nakadaira, K.Yoshimura, (KEK)
Apr.10.2007
for KEK-DTP photon sensor group
2
Contents
• Basic performance
• Readout electronics
• Connection with fiber
• Introduction
Improvement of performance• ノイズレート• ゲイン• 光子検出効率 (PDE)
The device-by-device variation of performance• クロストークレート
4
T2K 実験での MPPC の役割
• 前置検出器のほとんどの部分では、シンチレーター +WLS ファイバーで読み出しを行う。ファイバーを遠方まで引くのが困難な為、内部に置きたい。
コンパクト• Off Axis 検出器は、 0.2T の磁場中に
置かれる。 磁場中で動作
target
SK
MPPCMPPC はこれらの要請に応えはこれらの要請に応えることができる。ることができる。
他にも利点として・・・・ 高い光子検出効
率・ 優れたフォトンカウンティング能力・ 低いバイアス電圧・高いゲイン
【 Basic performance 】
Improvement of performance• ノイズレート• ゲイン• 光子検出効率 (PDE)
The device-by-device variation of performance• クロストークレート
6
improvement of gain 横軸 = ノイズレート
• 時系列にしたがって、その性能が高まっていっている。
05.Apr05.Apr
05.Apr05.Apr
06.Jan06.Jan
06.Jan06.Jan
06.Oct06.Oct06.Oct06.Oct
06.Oct06.Oct
0 0.5 1 1.5 0 0.5 1ノイズ [MHz] ノイズ
[MHz]青青 緑緑 赤赤 ( ( 桃色 桃色 ))
T2K(~1×10^6)
1×10^6
Gain 400pixelGain 100pixel
20℃
T2K(<1MHz)
7
improvement of PDE 横軸 = ノイズ
• 『進歩』が最もはっきり目に見える形で現れている。最新のサンプルでは、 PMT の 3 倍程の PDE を誇る。
05.Apr05.Apr05.Apr05.Apr
06.Jan06.Jan
06.Jan06.Jan06.Oct06.Oct
06.Oct06.Oct06.Oct06.Oct
0 0.5 1 0 0.5 1ノイズ [MHz] ノイズ
[MHz]青青 緑緑 赤赤 ( ( 桃色 桃色 ))
T2K(~PMT)
2
PMT
2
0
Relative PDE 400pixelRelative PDE 100pixel
20℃
T2K(<1MHz)
8
improvement of cross-talk rate 横軸 = ノイズ
• クロストークも、上がっていってしまっている。これは、有感領域の向上に伴うものなのか、それとも内的な要因が有るのか・・・。
05.Apr05.Apr
05.Apr05.Apr
06.Jan06.Jan
06.Jan06.Jan
06.Oct06.Oct 06.Oct06.Oct
06.Oct06.Oct
0 0.5 1 1.5 0 0.5 1ノイズ [MHz] ノイズ
[MHz]青青 緑緑 赤赤 ( ( 桃色 桃色 ))
50%50%
Cross-talk rate 400pixelCross-talk rate 100pixel
20℃
T2K(<1MHz)
T2K (5% 以下 )
9
100 ピクセル geometrical efficiency
80μm
100μm
geometrical efficiency = 64%
向上している。
efficiency= 0.5p.e. 以上のevent / total event
KEKレーザー測定系を用いて測定。前回のサンプルでは、約 46%と低い値を示し、HPKさんにその向上を依頼していた。
10
Gain V : 400pixel 20 100samples℃Gain V : 400pixel 20 100samples℃Gain : 400pixel 20 100samples℃Gain : 400pixel 20 100samples℃
~7×10^5
~10×10^5
×10^3 ×10^3
ゲイン測定結果 (100 サンプル )
MPPC のゲインは ΔV のみの関数であり、 100 個のサンプルに関してその関数の形は同じである。
T2K (~1×10^6)
69 70 71 0.5 1 1.5 2 2.5バイアス電圧 (V) ΔV (V)
11
PDE : 400pixel 20 100samples℃PDE : 400pixel 20 100samples℃ PDE V : 400pixel 20 100samples℃PDE V : 400pixel 20 100samples℃
~1.37
~1.80
PDE 測定結果 (100 サンプル )
MPPC の PDE は ΔV のみの関数であり、 100 個のサンプルに関してその関数の形は同じである。
T2K (~PMT)
69 70 71 0.5 1 1.5 2 2.5バイアス電圧 (V) ΔV (V)
12
Noise rate [kHz] : 20 100samples℃Noise rate [kHz] : 20 100samples℃ Noise rate [kHz] V : 20 100samples℃Noise rate [kHz] V : 20 100samples℃
~190kHz
~365kHz
ノイズ測定結果 (100 サンプル )
MPPC のノイズは、同じ ΔV のみによる関数にはなっていない。同じ ΔV でもばらつきが存在する。
T2K(1MHz)
69 70 71 0.5 1 1.5 2 2.5バイアス電圧 (V) ΔV (V)
13
cross-talk rate : 20 100samples℃cross-talk rate : 20 100samples℃ cross-talk rate V : 20 100samples℃cross-talk rate V : 20 100samples℃
~18 %
~29 %
クロストークレート測定結果 (100 サンプル )
MPPC のクロストークレートは ΔV のみの関数であり、100 個のサンプルに関してその関数の形は同じである。
T2K (5% 以下 )
69 70 71 0.5 1 1.5 2 2.5バイアス電圧 (V) ΔV (V)
14
Gain 400pixel ( 横軸 =Δ V )Gain 400pixel ( 横軸 =Δ V ) PDE 400pixel ( 横軸 =Δ V )PDE 400pixel ( 横軸 =Δ V )
Noise Rate 400pixel ( 横軸 =Δ V )Noise Rate 400pixel ( 横軸 =Δ V ) Cross-talk Rate 400pixel ( 横軸 =Δ V )Cross-talk Rate 400pixel ( 横軸 =Δ V )
ΔV=1.7V
1.7
ΔV=1.7V
ΔV=1.7V
ゲインをモニターしてゲインをモニターしておくおく10^6
ゲインのみをモニターすることから、温度に因らずゲイン・PDE・クロストークレートの 3 つを得ることができ、キャリブレーションが可能で
ある。
28%
熱電子を起源とするノイズを除いた他の基礎特性、ゲ熱電子を起源とするノイズを除いた他の基礎特性、ゲイン・PDE・クロストークレートのイン・PDE・クロストークレートの 33 つは、温度つは、温度
に因らずに因らず ΔVΔV のみの関数になっていることがわかる。のみの関数になっていることがわかる。
熱電子を起源とするノイズを除いた他の基礎特性、ゲ熱電子を起源とするノイズを除いた他の基礎特性、ゲイン・PDE・クロストークレートのイン・PDE・クロストークレートの 33 つは、温度つは、温度
に因らずに因らず ΔVΔV のみの関数になっていることがわかる。のみの関数になっていることがわかる。
15
まとめ• MPPC の持つ基礎特性は格段に進歩を遂げ、 T2K 実
験からの要請を満たしている。• MPPC (400 ピクセル )×100 個に関してその基礎特
性のばらつきを測定した。結論として、基礎特性の違いは、ブレイクダウンの違いに集約することが出来る。ただしノイズに関しては相違が見られる。MPPC は T2K 実験に使用することが可能である。
今後、 T2K 実験に向けてより多量(最終的には数万個)のサンプルを用いての測定を行い、サンプル間の特性のばらつきを詳細に調べていく必要がある。
今後の予定
17
読み出しエレキ開発のモチベーション
T2K 実験では~ 60,000 個の MPPC を用いる
複数のチャンネルを同時に読み出すためのエレクトロニクスが必要不可欠
MPPC を実機にインストール前に、その基礎特性をひととおり測定するシステムが必要
これらのモチベーションに基づき Trip-tチップを 用いた MPPC の多チャンネル読み出しエレクトロニクスの開発を行った
18
Trip-t
フェルミ研で開発 D0 実験での使用実績 T2K 、 MINERvA 実験で使用予定 入力 32ch のアナログシグナル ( -のチャージ ) 出力 1. 32ch それぞれの Discri シグナル 2. 入力電荷に比例したアナログシグナル 3. 入力とゲートの立ち上がりの時間差に比例
し たアナログシグナル
14mm
19
T2K 実験での読み出しに用いられる、trip-t チップテストボード
• 測定器開発室として、trip-t という複数のチャンネルを同時に読み出し可能なチップを用いたテストボードを製作した。この trip-t チップは T2K 実験での使用が予定されている。
• T2K 実験では一つの trip-t チップに 16 個の MPPC からの信号が対応する構造になる。
Trip-t
MPPC 入力
20
ADC 分布•400 ピクセル •ゲイン= 6.5x105 、ノイズレート@0.5p.e.th=100kHz
ADC カウント
0
12
3
0123
4
4
Trip-t の出力
ADC 分布
Trip-tTrip-t を用いてを用いて MPPCMPPC の読み出しができたの読み出しができたTrip-tTrip-t を用いてを用いて MPPCMPPC の読み出しができたの読み出しができた
21
100 ピクセル 400 ピクセル
400 ピクセル 400 ピクセル
ゲイン=7.5x105
ゲイン=6.5x105
ゲイン=1.1x106
ゲイン=2.7x106
MPPCMPPC のの 4ch4ch 同時読み出しに成功同時読み出しに成功MPPCMPPC のの 4ch4ch 同時読み出しに成功同時読み出しに成功
22
まとめ Trip-t を用いた MPPC の読み出しエレキを開発 MPPC の 4ch 同時読み出しに成功 実機ではハイゲイン / ローゲインチャンネルによ
って ダイナミックレンジを稼ぐ予定
今後の予定 32ch Trip-t ボードを新たに作成。これを用いて多量サンプル同時読み出しのためのセットアップを作成する
24
Connection with fiber
• 前置検出器では、シンチレーターからの光を WLS ファイバーを用いて読み出す。そのため、ファイバー端面とMPPC 表面とを、「簡単に」「正確に」「個体差が無く」「完全に密着させて」接続する、「遮光性の高い」「コンパクトで」「丈夫な」コネクターが必要になる。
このコネクターについて、キャップ式のコネクターを考案・作成した。
27
まとめ• プラスチックコネクターについて、キャッ
プ式のものを考案・設計し、完成に至った。
今後の予定• キャップ式コネクターに関してコネクター自身
による、再現性・ PDE の損失などをテストし、実験に用いることが出来るかどうかを調べる。
28
まとめ• MPPC は実際に T2K 実験で用いるに十分に足る性
能を持つに至った。また、実際に実地でT2K実験に用いるための、多チャンネル読み出しエレクトロニクス・ファイバーとのコネクターの開発も、2009年の実験始動へ向けて着々と進んでいる。
• 今後の予定としては、実際にT2K実験を視野に入れた、数万の単位での多量サンプルテスト・ 32チャンネル Trip-t ボードの開発・プラスチックコネクターの評価などが課題に上がっている。
30
ゲインの測定
e
)Q(pedestal - Q(1p.e.) GAIN
pedestal
1p.e signal
2p.e
3p.e4p.e …
MPPC のゲインの定義式
ADC 分布 MPPC No.50 15℃ 69.7V
この差分からゲインを定義する。
VVVbdbd
)V-(V e
C
e
Q GAIN bd
0
ΔV
バイアス電圧
31
Noise rate• 半導体光検出器である MPPC では、熱電子によるノ
イズが非常に多く現れてくる。熱電子起源の為、これらのノイズは一般的には 1p.e と同じシグナルになる。
• ここではスレッシュホルドを、 0.5p.e ・ 1.5p.e に設定し、光の進入の無い状態でそれを超えてくるものをノイズと定義し、測定を行った。
1 p.e
0.5 p.e = threshold
1.5 p.e = threshold
“ 1p.e noise ”
“ 2p.e noise ”
100pixel MPPC (25 )℃でのノイズのシグナル
32
improvement of noise rate
• ノイズレートは順調に減ってきていることがわかる。特にT2K評価サンプルでは、 1MHz という当初の目標設定をはるかに超えていることがわかる。
05.Apr05.Apr 05.Apr05.Apr
06.Jan06.Jan
06.Jan06.Jan
06.Oct06.Oct 06.Oct06.Oct06.Oct06.Oct
0.5 1 1.5 2 1 2 3 4 5 6 7ΔV ΔV青青 緑緑 赤赤 ( ( 桃色 桃色 ))
1MHz1MHz
Noise rate [ kHz ] 400pixelNoise rate [ MHz ] 100pixel
20℃
33
Cross-talk rate• クロストークとは、あるピクセルにフォトンが進
入し電子雪崩を起こした際に放出されたフォトンが、隣のピクセルに侵入し、また別の電子雪崩を引き起こすことを意味している。
隣の、『外部からフォトンが侵入していないはずの APD 』も、シグナルを出してしまう。
“ Cross-talk “
となりの pixel
Avalanche
34
• クロストークレートは、得られたデータの 1p.e の個数から計算される。
Cross-talk rate の測定
ondistributi-Poisson
-measuredondistributi-Poisson
)1(P
P(1)- )1(P rate talk cross
The cross talk rate は、このように定義できる
ペデスタルの個数はクロストークに因らない
• Poisson 分布を仮定
1p.e の個数 : P(1)( estimated by pedestal )
||cross-talk 含まない
1p.e の個数 : P(1)( measured )
||cross-talk 含む
この差がクロストークによる損失を表している。
測定
35
Photon Detection Efficiency• Photon Detection Efficiency ( = PDE ) は、以下の式
で定義される。 PDE は 3 つの要素から成る。
GeigerlGeometrica QE PDE
Geometrical Efficiency. 全領域に対する有感領域の大きさ (50%~70%)
有感領域の Quantum Efficiency (60~80%)
ガイガー放電を起こす確率 (60~90%)
MPPC の種類に依存
観測するフォトンの波長に依存
バイアス電圧に依存
MPPC は緑の光に対して高い QE を持つ。
36
relative PDE の測定・ 1mmφ のスリットを通過してきた光のみを検出する。・ MPPC で観測された光電子数の、 PMT で観測された光電子数に対する比を、『 relative relative PDEPDE 』として定義する。
MPPC
1mmφ スリット
青色LED
( 有感領域=1mm2)
PMT
p.e.(PMT)
p.e.(MPPC)PDE relative
PMT = HPK製 , type H8643
set up 移動ステージ
37
Linearity
• Linearity は以下の式で定義される。
) PMTby monitor ron(photoelect injected
) MPPC (number pixel firedLinearity
MPPC は、そのピクセル数に上限を持つ( 100pixel, 400pixel,… )
MPPC は、進入してくるフォトン数がピクセル数に対して大きくなってくると、線形なデバイスとしては動作しなくなる。
set up
MPPCMPPC に入るフォトン数は PMTを用いてモニターする。
PM
T
紙( LED の光をぼかす )
38
00fired N
exp1NNx
Linearity
• 緑色の線は、ピクセル数から計算した理論値を表している
光電子数ピクセル数
:
:N0
x
青 青 : DATA plot: DATA plot緑 緑 : expectation: expectation
Linearity 400pixel
Injected photoelectron per pixel F
ired
pix
el [
% ]
MPPC MPPC は以下の領域では線形に動作する。は以下の領域では線形に動作する。~25p.e 100pixel~100p.e 400pixel
linear
Linearity 100pixel
Fir
ed p
ixel
[ %
]
Injected photoelectron per pixel
linear
25%25%
青 青 : DATA plot: DATA plot緑 緑 : expectation: expectation
39
Summary of improvement• 今までの MPPC サンプルの持つ性能を、 100 ピクセル・
400 ピクセル、各々について時系列に従って並べてみる。
(20 )℃ 型番 時期ΔV
[V]
ノイズ[MHz]
ゲイン ×10^5
クロストーク
PDE
(PMT)
100
pixel
21-53-1A 05.Apr 0.6~1.2 0.2~0.8 8~30 0~40 0.4~1.3
311-53-1A-002 06.Jan 1.2~2.0 0.4~0.9 17~29 13~33 1.2~1.7
T2K-11-100C 06.Oct 0.6~1.4 0.1~0.3 13~30 11~51 1.0~2.2
T2K-11-100U-m 06.Oct 0.6~1.2 0.1~0.3 13~26 8~36 1.2~2.6
400
pixel
1-32 05.Apr 6.0~7.0 0.1~1.2 6~7 7~36 0.1~0.7
311-32A-002 06.Jun 1.1~1.9 0.6~1.2 6~10 7~23 1.1~1.9
T2K-11-050C 06.Oct 1.1~1.9 0.1~0.3 6~11 12~42 1.4~2.1
40
KEK でのレーザーテスト
測定結果は HPKへ
移動ステージ0.2μm pitch (x , y)
レーザースポットサイズ ≒数 μm
顕微鏡を用いての写真
MPPC
100μm
microscop
e
Laser source
λ=825nmwidth 50ps
ばらつき…• gain• cross-talk rate• efficiency
・ MPPC の各ピクセルからの応答を測定する。• 1 ピクセル内でのばらつ
き• ピクセル間でのばらつき
* 動機 *
43
RMS/mean=1.7%
RMS/mean=1.6%
Uniformity within 1pixel
0.25
400pixel
efficiency
GAINCross talk rate
44
RMS/mean=2.9%
RMS/mean=3.4%
Uniformity of each pixel
0.18
400pixel
efficiency
GAINCross talk rate
46
PDE of MPPC : 横軸 =ΔV
VBD [V]
100pixel 400pixel
25degree 68.80 68.83
20degree 68.52 68.51
15degree 68.25 68.20
VBD の
温度依存性
47
Trip-t ダイアグラム
フロントエンド
パイプライン
マルチプレクサ
2 段のアンプで増幅
シグナルをストックしておく(深さ1~48)
ch1
ch2
ch32
シリアル化
ch1
ch2ch32
49
セットアップ
FADC-+オペアンプTrip-t
デジタル波形発生器
コントロールシグナル
トリガー
AD 変換
SciBar DAQ ボード
テストボード(4ch)
4m フラットケーブル
MPPC
LED
50
T2K 実験 実機タイプエレクトロニクス (preliminary)
16 MPPCs
16MPPCs
Trip-t
ADC ADC
FPGA
Trip-t
16MPPCs
16 MPPCs
Trip-t
Trip-t
•UK グループによる開発•64MPPCs/ ボード•16 ハイ・ローゲインチャンネル / チップ•FPGA によるコントロール•温度モニター•MPPC の Bias微調整用 DAC
10bit
52
spill(8bunch)
integrate(~300ns)
reset (~50ns)
Chip time structure (preliminary)
5.6us
readout catch late signal
~3us ~50us
beam
53
SiP
M0
TFB0
… SiP
M63
SiP
M0
TFB1
… SiP
M63
SiP
M0
TFB47
… SiP
M63
…
RMM0
TPSPower distribution
Clk
& t
rg
da
ta
GTM
Trig
ge
r P
rimiti
ves
MCM
Co
smic
tr
igg
er
Sp
ill t
rig &
#
GP
S 1
Hz/
10
0M
Hz
(Acc
. R
F)
Clk
& t
rg
FPN
Gig
ab
it/E
the
rne
t
Gig
ab
it/E
the
rne
t
Acronyms:Acronyms:TFB: TFB: TRIP-t front-end boardTRIP-t front-end boardRMM:RMM: r/o merger moduler/o merger moduleGTM:GTM: global trigger moduleglobal trigger moduleMCM:MCM: master clock modulemaster clock moduleSCM:SCM: slave clock moduleslave clock moduleTPS:TPS: TRIP-t power supplyTRIP-t power supplyFPN:FPN: front-end proc. node (PC)front-end proc. node (PC)
SCM
Sp
eci
al
trig
ge
r
Clk & trg
Gigabit/Ethernet
Gigabit/Ethernet
Clk
& t
rg
System Overview
54
XTL1
FLASH
JTAG
CPLD
XTL2
FPGA
2v5
3v3
1v2
2v5
1v8
RJ45
RJ45
RJ45
RJ45
RJ45
RJ45
RJ45
RJ45
RJ45
RJ45
RJ45
RJ45
RJ45
RJ45
RJ45
RJ45
RJ45
RJ45
Readout Merger module(RMM)
1:36-48
4 LVDS pairs
RJ451G Opto
DAQ1G Ethernet
CLKMerger
RJ451G Opto
RJ451G Opto
RJ451G Opto
RJ451G Opto
RJ451G Opto
RJ451G Opto
RJ451G Opto
RJ451G Opto
RJ451G Opto
RJ451G Opto
RJ451G Opto
RJ451G Opto
RJ451G Opto
RJ451G Opto
RJ451G Opto
RJ45RJ45
RJ45RJ45
RJ45RJ45
RJ45RJ45
RJ45RJ45
RJ45RJ45
RJ45RJ45
RJ45RJ45
RJ45RJ45
RJ45RJ45
RJ45RJ45
RJ45RJ45
RJ45RJ45
RJ45RJ45
RJ45RJ45
RJ45RJ45
RJ45RJ45
RJ45RJ45
300mm x 100mm version
Trip-t board
RJ45 FPGA
?power
RJ45
55
MPPC セラミックパッケージ
• この T2K 用に用いられるはずのセラミックパッケージは、そのアライメントを外枠で取っている。
プラスチックパッケージについて、アライメントプラスチックパッケージについて、アライメントはこのはこの 5mm5mm 、もしくは、もしくは 6mm6mm について取る。について取る。
58
• ネジ式の利点 …ネジ式の利点 …– ネジによって密着度は最大まで出る– ファイバー中心と MPPC 中心とは簡単に合わせることができる– 構造が単純なために、耐久性が高く、またコストの面でも良い。
• ネジ式の欠点 …– 狭い所で 10000 個分もネジを回すのは面倒くさい。
利点と欠点
利点利点 欠点欠点ネジ式Type 1
再現性がより高い 両パーツとも固定すると接続不可
ネジ式Type 2
両パーツとも固定しても接続可
再現性が Type 1 より悪い可能性有
59
再現性
• Type 1 は良い再現性を有している。• Type 2 は Type 1 程は再現性が高くない。この違い
は先に述べた理由によるものなのだろうか ?
3%
15%
RMS/Mean = 0.0175RMS/Mean = 0.0175 RMS/Mean = 0.0956RMS/Mean = 0.0956