中間評価結果・事後評価結果...平成24年度 中間評価結果・事後評価結果 平成24年10月 広島県研究開発評価委員会 目 次 1 評価対象及び評価基準
MPPC の性能評価
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MPPC の性能評価
2007.4.24
筑波大学 須藤 山崎•基礎特性の評価•浜松ホトニクス訪問
測定 sample
• ILC-11-025M (2006 年 10 月 , plastic package)
• S10362-11-025U (2006 年 12 月 , CAN package)
これらの sample について、以下の性能を測定、比較した。 • Gain
• Noise rate• Cross-talk• 光子検出効率• 有感領域 ( レーザーを使用 )
Gain 測定 ( 25℃ )
•新 sample(2006.12) の C ( pixel capacitance ) は旧 sample(2006.10) の約 80%
C200610 = 21.6 [ fF ] C200612 = 17.6 [ fF ]
•印加できる最大 over-voltage が小さくなっている 新 ~4V 旧 ~5V ( ΔV )
S10362-11-025U
2006.12
ILC-11-025
2006.10
Gain = Ce ΔV
Gain =d ・
0.25 [pC]
AMP ・
e
d
Noise rate , Cross talk
•Noise rate は新 sample( 2006.12 ) の方が
~20kHz 大きい (ΔV < 3.5V)
•Cross talk は ΔV < 3V の範囲で新・旧あまり変わらない
スケーラーを用いて測定
ΔV = Vbias – V0 ΔV = Vbias – V0
Noi
se r
ate
[ H
z ]
Cro
ss ta
lk
S10362-11-025U
2006.12
ILC-11-025
2006.10
S10362-11-025U
2006.12
ILC-11-025
2006.10
光子検出効率 (PDE)~ 1光子の入射に対してそれを検出する確率
MPPC の光子検出効率は、光電子増倍管との応答比から求めた.
PDE MPPC =μMPPC
μPMT
PDEPMT
MPPC
PMT
MPPC
PMT 0.5 mm 径 ピンホール
Blue LED
:λ~ 500 nmWLSF
μ : MPPC ・ PMT それぞれの
測定光電子数
PDE結果
•Gain = 3×105 で PDE は 14~15%
•新・旧同程度•使用できる ΔV の範囲で PDE は飽和しない
S10362-11-025U
2006.12
ILC-11-025
2006.10
ΔV ( = Vbias – V0 ) [ V ]
PDE
[ %
]
1600-pixel MPPC
• YAG Laser, = 532 nm• Pulse width ~ 2 nsec• Pulse rate ~ 8 kHz• Spot size ~ 1 m
• 光量 ~ 1 p.e. 以下
LASER を用いた測定 @ KEK-DTP
1600-pixel MPPC の顕微鏡写真
• ピクセルの受光面の形が変化 している
S10362-11-025U ( 2006.12 )
ILC-11-025 ( 2006.10)
2005 冬Can package
Can package
Plastic package
有感領域 ( 2006.12 sample )
• 検出光電子数が 50%MAX ≦ の領域を有感領域とすると
有感領域は ~27% 2005 冬 sample ( ~18% ) の 1.5 倍
検出光電子数を用いて有感領域の割合を評価
S10362-11-025U (2006.12) 2005 冬
まとめ 1
• 2006.10 と 2006.12 の sample について測定を行った
• 新 sample は C ( pixel capacitance ) が小さくなった C 新 は C 旧 の ~80%
• 新 sample の Noise rate は少し大きくなった ΔV < 3.5V の領域で ~20kHz 上昇 • Cross talk は ΔV < 3V の範囲で新・旧あまり変わらな
い • PDEも新・旧同程度 ( 最大 18% )• 新 sample は有感領域が拡大されている 2005 冬 sample と比べて約 1.5 倍
疑問・質問1. LASER を用いた測定結果から有感領域は大きくなっているこ
とがわかったが、 pixel capacitance が小さくなったのはなぜか?
2. また、 PDE は有感領域の拡大によって向上すると考えていたが、旧サンプルと同程度なのはなぜか?
3. 印加できる最大 over voltage が小さくなったのはなぜか?Gain = C
e ΔV PDE = Q.E. ×εGeom × εGeiger ,
• 表面の構造の変化• 内部構造 (各層の厚さ)• ドーピング濃度の変化
p
p-
n+
Si Resistor
Bias voltage (70~80 V)
substrate p +
p-
+
substrate p +
C = εSd
d
1. LASER を用いた測定結果から有感領域は大きくなっていることがわかったが、 pixel capacitance が小さくなったのはなぜか?
シリコンウェハーを厚くした影響
ウェハーの厚さは 3 ~ 4 μm
2. PDE は有感領域の拡大によって向上すると
考え ていたが、旧 sample と同程度なのはなぜか?
よくわからないらしい
新 sample ( 2006.12 )は HPK 的にも妥当な値のようだ
The MPPC linearity
• Most important fact for the calorimeter is linearity and dynamic range
• ILC-cal uses 1600 pixel MPPCs
• if this devise behaves ideally :
•Nfired pixel =
1600 pixel expected response curve
1600
Light input (photoelectrons)
1600
(信州大 魚住さん)
Light input (arbitrary)
1600 pixels taken by charge ADC
linearity measurements 2
MPPC signal
PMT signal
gate
gate width 120ns
1600
100ns
(信州大 魚住さん)
Linearity measurements 2
saturation is observed (~1300 pixel), but it still does not follow the expectation
curve.
1600 pixels taken by peak height with oscilloscope
light input (arbitrary)
Num
ber
of
fire
d p
ixels
(信州大 魚住さん)
pulse shape • DESY AHCAL group tested MPPCs.
100nsSiPM
SiPM
SiPM
SiPM
MPPC 1600
MPPC 400
mediumlight intensity
highlightintensity
WLS fiberis used
(信州大 魚住さん)
saturation measurement
1.2 MΩ
10.4 MΩ
100 ns integration50 ns integration30 ns integration
SiPM
1600 pix400 pix
• DESY AHCAL tested
SiPM
MPPC 1600 MPPC 400
(信州大 魚住さん)
MPPCs(1600 pixels)
Calorimeter test module and Beam Test @ DESY
Scintillator strip(1 x 4.5 x 0.3 cm)
Frame
WLS fiber
Tungsten(3.5 mm thick)
Scintillator layer(3 mm thick)
e+
(信州大 魚住さん)
Observed linearity of the calorimeter
e+ beam energy (GeV)
Simulation
data at desy without
correction
13%
•MPPC の saturation effect に対して何の補正もして いないにも関わらず、カロリメータの応答はほぼ線形。(信州大 魚住さん)
• シリコンウェハーの厚さは 3 ~ 4 μm
• 有感領域(開口率)は拡大 ( ~ 27% )
• 開発方針 pixel capacitance を大きくする方向
• ポリシリコン抵抗の抵抗値は 200 ~ 300 kΩ
• pixel の回復時間が短い ~ 数 ns
• 格子欠陥、ドリフト時間の差などにより遅い成分の信号がある
• クロストークの原因になる
光子の波長は ~ 1μm ( 吸収係数 ~1mm )
• 金属を pixel 間に入れることでクロストーク率を減少させる方向
まとめ 2
Recovery timesetup
MPPC LASER
今後• 光源の波長を変えて PDE の測定• 新 sample の基礎特性の評価(温度依存
性、 LASER )• 応答曲線についての理解する• 長期安定性
Back up
光の広がり
広がりは 0.55mm径
Multi-Pixel Photon Counter (MPPC) ~ シリコン半導体光検出器
~ 1 mm
~ 1 mm 25 m
Depletion region
Substrate
p-
Guard ring n+
Al conductorp n+
Si ResistorBias voltage (70~80 V)
substrate p+
浜松ホトニクスによる P.D.E の測定結果
※λ=400nm, including the cross-talk and after pulse
2005 冬
光子検出効率測定の Setup
Φ0.5mmBlue LED
PDE測定
WSLF の発光スペクトル
PMT の量子効率分布
( HPK による測定 )•この二つの分布から WLSF に対する PMT のPDEを求めた。
光子検出効率 (PDE)~ 1光子の入射に対してそれを検出する確率
MPPC の光子検出効率は、光電子増倍管との応答比から求めた.PDE MPPC =
μMPPC
μPMT
PDEPMT
MPPC
PMT
MPPC,PMT の Pedestal のイベント数からPoisson 分布関数を用いて検出光電子数を求めた。
P0(μ) = e-μ = Npedestal / Nall
μ= -ln( Npedestal / Nall )
MPPC
PMT 0.5 mm 径 ピンホール
Blue LED
:λ~ 500 nmWLSF
μ : Poisson 分布の平均値