MPPC 　放射線耐性の評価測定

ILC Cal Meeting2007 年９月６日

筑波大学山崎　生野　須藤　高橋

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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、放射線耐性を評価する必要がある

• そのため、東工大久世研究室で γ 線を照射した MPPC の放射線耐性の評価をする

• 東工大での照射環境　 - 照射サンプル→ ILC-11-025M , sample#6

- 1krad/h で 24 時間照射→累積 24Krad (MPPC 受光面に垂直に γ 線が入射するよ う設置 ) - 印加電圧は Vop= 77.86V をかけ、 25℃ で一定

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γ 線の照射の影響• Total dose 効果 : 照射量に比例して漏れ電流増加　　　 - Bulk damage （ Si 層の格子欠陥）　　　 - Hole trap （ SiO2 層に正孔が捕獲される）　　　 - 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　　　　　

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10krad/h*10h 照射後はphoton counting 出来ていない

（累積放射線量 122.2krad ）

照射前

（累積放射線量 22.2krad ）

SIPM 損傷試験： ADC distribution @ 東工大

MPPC Pulse Shape 　 (Radiation )

23/04/20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 35mv 1600pixel) よりも高い (>2 p.e. height)

セルフトリガーでの信号 ランダムトリガーでの信号

測定二回目　 1 時間後

測定二回目　 8 時間後

測定一回目　 1 時間後

測定項目

Gain,NoiseRateGain,NoiseRate 測定測定照射前のものと比較し、放射線による影響をみる照射前のものと比較し、放射線による影響をみる

漏れ電流測定漏れ電流測定時間変化を測定し、回復をみる時間変化を測定し、回復をみる

　　　今回はバイアス電圧を変えずに測定した　　　今回はバイアス電圧を変えずに測定した

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測定手順

Gain 測定NoiseRate 測定

○Gain,NoiseRate 測定は、前後変化をみるために、

できるだけ短い時間で終わらせる必要がある。

↓測定時間の短縮が必要

測定手順

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Gain 測定 　(LED 電源の output を切って )NoiseRate 測定

同時進行( 測定時間　５時間 )

　　　（バイアス電圧は 78.0V　） 漏れ電流測定

( 再度バイアスをかけて ) 漏れ電流測定

２５度で 3 時間　保存

Gain(ADC Distribution)

23/04/20 8分解能が悪くなっており、 Photon Counting が出来ない

測定一回目バイアスをかけた直後全 event 数　 10000

測定二回目バイアスをかけた直後全 event 数　 10000

測定二回目バイアスをかけてから 14 時間全 event 数　 100000

eA

dSGain

S :ADC 分解能 (0.25pc/Count)d: 1 p.e. mean – Pedstal meanA : Amp gain = 63e : electron charge = 1.6 x 10-19 C

Noise Rate(Threshould Curve)

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Threshould CurveNoise Rate: 熱電子によって起こる雪崩による signal

放射線をあててない MPPC のThreshold Curve （現行システム）

0.5 p.e. Threshold

1.5 p.e.Threshold

オーダーは 10MHz まで達している放射線をあててない MPPC では数十 KHz

バイアス電圧をかけた直後からのプロット

Noise Rate(Threshould Curve その２ )

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一度バイアス電圧を切ってから再度測定

この波高領域が効いている

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

漏れ電流 (Leakage Current)

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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

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

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Time　Vs　Leakage　Current

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

8.00

9.00

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55Time(hour)

Leak

age　

Cur

rent

(μA)

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

今後の予定• MPPC の放射線損傷に関する物理がまだはっ

きり分かっていない　　　　　　　　　　　• GLD　Calorimeter ではある放射線量におい

ての MPPC の寿命がまだはっきり分かっていない– GLD　dod(Detector　outline　document) や文献

等をたどって調査→今後の照射実験の実験計画を練るのに不可欠　

• 照射実験– γ 線　　　東工大　– Proton　 　筑波大 ATLAS グループが東北大で

行っている照射実験に参加 ?? 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　23/04/20 12

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γ 線の照射の影響• Total dose 効果 : 照射量に比例して漏れ電流増加　　　 - Bulk damage （ Si 層の格子欠陥）　　　 - Hole trap （ SiO2 層に正孔が捕獲される）　　　 - 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　　　　　

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Al-conductorSi Resistor

p+ 106

p -epi-

n -substrate++

E(V/cm)

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　　　　　 MPPC の動作原理Al -conductor

Guard ring

光子

~ 1 mm

25~100 m光子

APD （ Avalanche Photo Diode ）が 1pixel を構成しているMPPC 駆動回路

LEDMPPC

1pixel の断面構造

雪崩増幅

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Gain

eA

dSGain

S:ADC Sensitivity = 0.25pc/ADCcountA: Amp gain = 63e : electron charge = 1.6 x 10-19 C

Gain の算出式

d

)( oBias VVe

CGain Gain の理論式

C : Pixel Capacitance傾き C は温度によらないV0: Breakdown voltage

•30oC•25oC•20oC•15oC•10oC•0oC•-20oC

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 Calorimeter の要求を満たしている

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Noise rate

0.5 p.e. Threshold

1.5 p.e.Threshold

• 30 oC• 25 oC• 20 oC• 15 oC• 10 oC• 0 oC• -20 oC

Noise Rate: 熱電子によって起こる雪崩による signal

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。