1

【 R&D of MPPC 】the basic performance of MPPC,

and the plastic packages

S.Gomi, T.Nakaya,M.Yokoyama, M.Taguchi, (Kyoto University)

T.Nakadaira, K.Yoshimura, (KEK)

Dec.7.2006 Hamamatsufor KEK-DTP photon sensor group

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Contents

• Advancement of performance– GAIN– noise rate– Cross-talk rate– Photon Detection Efficiency ( PDE )– Linearity– LASER test

• Connection with fiber– Screw type– Cap type

• Introduction

3

【 Introduction 】

4

MPPC の持つ利点1. 優れたフォトンカウンティング能力を持つ2. コンパクトである3. 磁場に影響を受けない4. 低バイアス電圧、高ゲインで動作する5. 高い PDE を有する

T2KT2K 実験の前置検出器実験の前置検出器

5

T2K 実験MAIN MAIN GOALGOAL

• νμ→ντ ニュートリノ振動の精密測定

•νμ→νe ニュートリノ振動の世界初の観測

6

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。ファイバーを外まで引くのが困難な為、内部に置きたい。またその方が光量を得ることもできる。しかし空間は限られている。 コンパクト• Off Axis 検出器は、 0.2T の磁場中に置かれる。 磁場中で動作磁場中で動作

OffAxis detector

OnAxis detector

target

SK

MPPCMPPC はこれらの要請はこれらの要請に応えることができる。に応えることができる。

7

• gain• noise rate• cross-talk rate• Photon Detection Efficiency ( PDE )• Linearity

【 Advancement of performance 】

8

set up •青の LED からの微弱光を MPPC で観測する。

LED

MPPC

Gain

e)Q(pedestal - Q(1p.e.) GAIN

ADC distribution

* STATUS DATA *400 pixel MPPC

BIAS : 70.0V / VBD =68.8V

• MPPC のゲインは以下の式で与えられる。

pedestal

1p.e signal

2p.e

3p.e

4p.e …

ゲインは ADC 分布の、 1p.e ピークとペデスタルのピークとの間の差分で定義される

VVVbdbd

)V-(V eC

eQ GAIN bd

9

Gain

このゲインとバイアス電圧との関係から、ブレイクダウン電圧を求めることができる MPPCMPPC は高ゲインな検出器であるは高ゲインな検出器である

ブレイクダウン電圧は、温度の関数である。

Gain 400pixel

Bias voltage [V]

Gain 100pixel

Bias voltage [V]69 69.5 69.8 69.6 　 70 70.6

　 青　　 青　 : : 15℃15℃　 緑　　 緑　 : : 20℃20℃　 赤　　 赤　 : : 25℃25℃

3×10^6

10^6

10^6

5×10^5

10

Gain

• ゲインは V のみの関数である。

bdBIAS V V V

Gain 400pixelGain 100pixel

0.2 1 1.6 0.8 1 2 2.4V V

　 青　　 青　 : : 15℃15℃　 緑　　 緑　 : : 20℃20℃　 赤　　 赤　 : : 25℃25℃

3×10^6

10^6

10^6

5×10^5

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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

12

Noise rate

• 1p.e ノイズは、約 100~400 kHz.• 2p.e ノイズは、約 0~200 kHz.

100kHz

400kHz

69.2 70 70.4

Noise rate [ kHz ] 400pixelNoise rate [ MHz ] 100pixel

100kHz

500kHz

1p.e noise

2p.e noise

1p.e

2p.e

69.1 69.5 70Bias voltage [V]Bias voltage [V]

　 青　　 青　 : : 15℃15℃　 緑　　 緑　 : : 20℃20℃　 赤　　 赤　 : : 25℃25℃

13

Noise rate

• 1p.e ノイズは、温度と V との両方の関数である。

100kHz

400kHzNoise rate [ kHz ] 400pixelNoise rate [ MHz ] 100pixel

100kHz

500kHz

0.5 1 1.5 2 2.3

1p.e

2p.e

2p.e ノイズは、 V のみの関数に見える。これには、 “ Cross-talk” が関係している。

bdBIAS V V V

1p.e

2p.e

0.5 1 1.5V V

　 青　　 青　 : : 15℃15℃　 緑　　 緑　 : : 20℃20℃　 赤　　 赤　 : : 25℃25℃

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Advancement 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℃

15

Advancement 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.Jan06.Jan06.Jan

06.Oct06.Oct 06.Oct06.Oct06.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 ))

10^6

10^6

Gain 400pixelGain 100pixel

20℃

16

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

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• 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(PP(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 分布によることを仮定

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

18

Cross-talk rate

• HPK 推奨電圧でのクロストークの値は、20℃ の時で約 20% 。

10%

50%

Cross-talk rate 400pixelCross-talk rate 100pixel

10%

50%

Bias voltage [V]69.6 70 70.6

Bias voltage [V]69 69.5 69.8

　 青　　 青　 : : 15℃15℃　 緑　　 緑　 : : 20℃20℃　 赤　　 赤　 : : 25℃25℃

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Cross-talk rate

• Cross-talk は、 V のみの関数である。

Cross-talk rate 400pixelCross-talk rate 100pixel

bdBIAS V V V

0.2 1 1.6 0.8 1 2 2.4V V

10%

50%

10%

50%

　 青　　 青　 : : 15℃15℃　 緑　　 緑　 : : 20℃20℃　 赤　　 赤　 : : 25℃25℃

20

Advancement of cross-talk rate 横軸 = ノイズ

• クロストークも、時系列にしたがって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℃

21

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。

22

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

23

relative PDE

• MPPC は、 PMT に比べ 2~3 倍高いPDE を持っている。

1

2

Relative PDE 400pixelRelative PDE 100pixel

1

2

3

Bias voltage [V]69.6 70 70.6

Bias voltage [V]69 69.5 69.8

　 青　　 青　 : : 15℃15℃　 緑　　 緑　 : : 20℃20℃　 赤　　 赤　 : : 25℃25℃

24

relative PDE

• PDE は、 ΔV の関数である。

Relative PDE 400pixelRelative PDE 100pixel

bdBIAS V V V

1

2

1

2

3

0.2 1 1.6 0.8 1 2 2.4V V

　 青　　 青　 : : 15℃15℃　 緑　　 緑　 : : 20℃20℃　 赤　　 赤　 : : 25℃25℃

25

Advancement 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.Jan06.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 ))

1

2

1

2

0

Relative PDE 400pixelRelative PDE 100pixel

20℃

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Summary of Advancement• 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)

100pixel

21-53-1A 05.Apr 0.6~1.2 0.2~0.8 8~30 0~40 0.4~1.3311-53-1A-002 06.Jan 1.2~2.0 0.4~0.9 17~29 13~33 1.2~1.7T2K-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

400pixel

1-32 05.Apr 6.0~7.0 0.1~1.2 6~7 7~36 0.1~0.7311-32A-002 06.Jun 1.1~1.9 0.6~1.2 6~10 7~23 1.1~1.9T2K-11-050C 06.Oct 1.1~1.9 0.1~0.3 6~11 12~42 1.4~2.1

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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 )

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00fired N

exp1NN x

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 Fi

red

pixe

l [ %

]

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

Fire

d pi

xel

[ % ]

Injected photoelectron per pixel

linear

25%25%

青　青　 : DATA plot: DATA plot緑　緑　 : expectation: expectation

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KEK でのレーザーテスト

測定結果は HPKへ

microscope

Laser source

λ=825nmwidth 50ps

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

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 *

30

RMS/mean=2%

RMS/mean=2%

0.25

1 ピクセル内でのばらつき100pixel

efficiency

GAINCross talk rate1 ピクセル内の応答は良く揃っている。

Efficiency, Gain Efficiency, Gain (( 有感領域内有感領域内 ))

有感領域の端で、中央よりも高くなっているもし電子雪崩が有感領域の端で起こった場合、生じたフォトンが隣のピクセルに入る確率は中央で起こった場合と比べ近い分高くなる。(cross-talk)

Cross-talk rate Cross-talk rate (( 有感領域内有感領域内 ))

有感領域

31

RMS/mean=3%

RMS/mean=3%

ピクセル間でのばらつき100pixel

efficiency GAIN

ピクセル間での応答は良く揃っている。

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Summary• 新しい MPPC は十分に高い性能を有している。 ( クロストークをもう少し減らせないだろうか )

100pixel 400pixelGainNoise rate(1p.e) [ kHz ]Cross-talk ratePDEUniformity

within 1 pixelof each pixel

Uniform(2~3%)

66 103~101 65 102~104 400~100 400~100

%50~0 %50~0PMT 3~ PMT 2~

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【 Connection with fiber 】

• Test connector prototype– screw model : type 1, and 2

• Planning about cap model

34

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、『ネジ式』・『キャップ式』の 2 種類を考案した。

35

ネジ式コネクター : Type 1

MPPCハウジング

ファイバーハウジング

• Type 1 は 2 パーツで構成される。 2 つはネジによって固定される。

MPPC

WLS ファイバー

36• Type 2 は 3 つのパーツで構成される。

ネジ式コネクター : Type 2

MPPCハウジング

ファイバーハウジングMPPC

WLS ファイバー固定枠

37

• 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

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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

39

キャップ式コネクター爪の部分が弾性力で締め付ける。

ファイバーハウジングを下に圧し付ける力が生まれる

40

Summary

• プラスチックパッケージは実験で用いるのに十分な再現性を有している。 PDE の損失もごく小さいものと予想される。• しかし、ネジ式は狭い場所では接続が困難。• 現在 cap type を考え中。密着性･アライメントの面でネジ式に匹敵する性能を有するであろうと予想される。

41

【 Supplements 】

42

Multi-Pixel Photon Counter ( MPPC )• Multi-Pixel Photon Counter ( = MPPC ) は、浜松ホトニクス

(HPK) で開発が進められている、新型の光検出器である。• MPPC は 1mm×1mm の感受光領域に 100~1600 の APD を持っている。これらが、光を『感知した』か『しない』かの 2通りのシグナルを出すことで、 MPPC はフォトン数に関して優れた分解能を持つ。

MPPC

1pixel

mm 5050

400 ピクセル MPPC の感受光領域6mm

43

MPPC の 1pixel の動作原理• APD (Avalanche Photo Diode) は、逆電圧をかけることで半導体の pn接合部に高電場領域を形成し、そこで電子雪崩を起こし信号を増幅するフォトダイオードである。

p+ absorption region p n

E

γ

e-hole

による増幅率印加電圧がある値 VBD を超えると、僅かな光に対しても放電を起こすようになる。この時の増幅率は 106 倍にもなり、シグナルの大きさは入射フォトン数によらない

光が『入った』か、『入光が『入った』か、『入らなかった』か、だけがらなかった』か、だけが解る解る

GND

V+ 電子雪崩

VVBDBD = = ブレイクダウン電圧ブレイクダウン電圧

44

Gain of MPPC : 横軸 =ΔV

cross-talk rate of MPPC : 横軸 =ΔV

45

PDE of MPPC : 横軸 =ΔV

VBD [V]

100pixel 400pixel25degree 68.80 68.8320degree 68.52 68.51

15degree 68.25 68.20

VBD の温度依存性

46

RMS/mean=1.7%

RMS/mean=1.6%

Uniformity within 1pixel

0.25

400pixel

efficiency

GAINCross talk rate

47

RMS/mean=2.9%

RMS/mean=3.4%

Uniformity of each pixel

0.18

400pixel

efficiency

GAINCross talk rate

48

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。

49

Type 1

Top View

Side View

Fiber housing Ceramic package housing

Side View

Top View

6mm (pitch = 1mm)

1mm

10mm

8mm

10mm

6mm (pitch = 1mm)

8mm

3mm

50

Type 2

[ mm ]

6 ( pitch 1mm )

10

5.1

8 5

1

8

6 ( pitch 1mm )

3

Fiber housing Ceramic package housing

Fixture

51

セットアップ• WLS ファイバーとファイバーハウジング部とはオプティカルセメントで接着する。• MPPC と密着させる面は、紙やすりで研磨し

( #600~#3000 ) 、ファイバー端面をハウジングの面に合わせる。

fiber housing MPPC housing

52

Rough Draft - blueprint -

53

Future Plan• プラスチックパッケージによる PDE の損失を測定する。

MPPC

1mmφslit

Blue LED

( 感受光領域 = 1mm2 )

PMT

MPPC

1mm fiber

Blue LED

( 感受光領域 = 1mm2 )

PMT

Measurement 1 Measurement 2

全 PDE の測定 ファイバー端面からの光の広がりによる損失の測定Measurement 3 プラスチックパッケージによる損失の測定

• Cap タイプの試作品を製作し、同様の試験を行う。