mppc tests for ilc - hep tsukuba - 筑波大学.ppt

リニアコライダー用カロリメータの読み出しに用いるマルチピクセル光検出器MPPCの開発研究 200310339 須藤　裕司 2007.2.9 ILC計画(International Linear Collider) 重心系1TeV e- e+ 衝突型線形加速器 Motivation Higgs粒子の発見?精密測定 top quarkの精密測定 超対称性粒子のような標準理論を 超える物理の探索 ILC カロリメータ シンチレータとタングステンのサンプリング型カロリメータ Z,W粒子を2ジェットで再構成した質量により区別するための、高いエネルギー分解能が必要 Particle Flow Algorithm　(PFA)を用いる ストリップシンチレータを交差するよう積層し、細分化 膨大なチャンネル数 (~1千万ch) ~3Tの磁場中で使用 PMTに代わる小型?安価?磁場に強い光検出器が必要 Multi-Pixel Photon Counter (MPPC) 　～　シリコン半導体光検出器 MPPCの信号波形 ILC カロリメータにおけるMPPCへの要求 増倍率 ~ 少なくとも105 ノイズ発生率 1MHz (閾値=0.5 p.e.) ピクセル間のCross-talkが少ないこと 光子検出効率 ~ 30 % バイアス電圧、温度の変化に対する安定性 　Dynamic range ~ 1000 p.e.まで応答が線形 　センサーの性能の均一性 　長期安定性 　放射線耐性 1600-pixel MPPC 増倍率（Gain） V0 の温度依存性 V0 は温度に対して線形に変化 →　DV = VBias – V0(T) に対して 　　 MPPCの特性を評価 ノイズ発生率 ノイズ発生率 Cross-talk Cross-talk 光子検出効率 (P.D.E.) 光子検出効率 まとめ ILCカロリメータで光信号の読み出しに用いるMPPCの性能評価を行った 増倍率、ノイズ発生率、クロストーク率は　　　　ILCの要求を満たしている 光子検出効率は要求に近い値である 性能は温度に依存し、増倍率の不確かさを~2%に抑えるためには±1℃の温度管理が必要　 応答線形性、磁場や放射線の影響の評価も含め、今後も開発研究を進める Back-up Particle Flow Algorithm (PFA) 増倍率測定のSet-up ノイズ発生率測定のSet-up 光子検出効率測定のSet-up 光の広がり Y-11の発光?吸収波長とその強度 光電子増倍管の量子効率 光電子増倍管のQ.Eの期待値 ■ MPPC仕様（1mm□） 浜松ホトニクスによるP.D.Eの測定結果　　　　 1600-pixel MPPC * 電磁カロリメータ 吸収体：W 吸収体W 10mm 2mm 40mm シンチレータ 波長変換ファイバー 光検出器 ~ 1 mm ~ 1 mm 　25 mm Depletion region Substrate p- Guard ring n+ Al conductor p+ n+ Si Resistor Bias voltage (70~80 V) substrate p+ 1 p.e. 2 p.e. p.e. : photoelectron 1mm 1mm 4mm パッケージ正面 横面 共同開発研究： 筑波大学、浜松ホトニクス、KEK光センサーグループ、他 1.3mm 受光面 測定した小型プラスチックパッケージのMPPC 3mm 1mm 1mm S : ADCの分解能 = 0.25 pC/ADCcount A : Amp gain = 63 e : 素電荷 = 1.6 x10-19 C C : pixel容量 V0: ガイガーモード開始電圧 Gainは105 ~ 106 あり要求をみたしている Vbias ~77V のとき温度による増倍率の変化は　~2 %/℃ d DV0/DT = (56.0 ± 0.10) mV/oC C : pixel容量 V0: ガイガーモード開始電圧 ノイズ : 熱により発生した電子?正孔対の増幅による信号 0.5 p.e. Threshold 0.5 p.e. Threshold 温度、DV( = Vbias – V0)が低いほどノイズ発生率は低い 1MHz以下の要求を満たしている 30 oC 25 oC 20 oC 15 oC 10 oC 0 oC -20 oC Threshold 0.5 p.e. Cross-talk : 電子雪崩から生成された光子が隣のピクセルで新たに電子雪崩を起こす現象 ノイズのうち、1.5p.e.の閾値を超える信号の