新しい光センサー sipm/mppc の...
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新しい光センサーSiPM/MPPC の R&D
中平武・吉村浩司 (KEK IPNS)J-PARCに向けてのデータ収集ワークショップ 05.10.14
1. SiPM/MPPCの概要2. 開発の現状3. 測定器開発室の役割
SiPM/MPPC開発 メンバー KEK素核研 中平武、吉村浩司
信州大学 竹下徹
神戸大学 川越清以
新潟大学 宮田等
筑波大学 金信弘
京都大学 横山将志、中家剛
SiPM/MPPCの概要
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4
SiPM/MPPCの概要
for details: NIMA 504(2003)48 MPPC 400pixels
SiPM/MPPC の性能
Multi-pixel Geiger mode APD (so called SiPM)A possible new photo-sensor replacing PMT.
PMT SiPMGain ~106 ~106
Bias Voltage ~1000V ~50 VSize small Compact (tiny)Magnetic field Very sensitive No influenceStability Good UnknownNoize rate quiet ~MHz(→lower?)
Response fast fastStructure Simple (→cheap)
When the technology of SiPM is established, the usage of SiPM may be as easy as that of photo-diode with photon-counting capability.
200 300 400 500 600 700 8000
20
40
60
80
QE•εgeom
SiPM
PMT XP2020Q number 40979(according to Philips Photonics)
APD EG&G C30626E (NIM A428 (1999) 413-431)
QE
, %
Wavelength λ, nm
J-PARCT2K 前置検出器ν
VME board
Extruded Scintillator (1.3×2.5×300cm3)Wave length shifting fiber (1.5mmΦ) Light Yield : 16.5p.e./cm/MIP
Multi-Anode PMT・2×2mm2 pixel (3% cross talk w/1.5mmΦfiber)・Gain Uniformity (20% RMS) ・Good linearity (~200p.e. @6×105)
Top View
Scintillator detector (smaller SciBar)
ILCカロリメータ(GLD-CAL)
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GLD-CALの光センサー磁場
3Tesla →Solid State Sensorチャンネル数
6M / 30 Mch → Low cost量子効率
10phton/MIP → ~50%リニアリティ
~50 MIP → 1000 pixelsTiming
neutrion rejection →数ns9
EM-Scintillator-layer model
Cross section
R/O chip
MPC
X-Layer
Z-Layer
Tungsten3mm
2mm
1mm
3mm
WLSFscintillator
Flex-sheet
Tungsten
Tungsten
Tile-
Layer
particle
2mm
1mm
3mm
2mm
1mm
1cm
4cm
4cm
MPC
MPC
開発の現状
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これまでの開発経過Russia製SiPM, 浜ホト製MPPCのサンプルの性能テスト(各大学）ゲイン、ノイズ、クロストーク、量子効率...
浜ホトに結果をフィードバックSiPM/MPPC mini-workshop 2005.9.16
http://rd.kek.jp/project/sipm測定結果を交換・議論
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Photon Counting
Signal & p.e peak
LEDによるシグナルを確認した
1p.e2p.e3p.e
30p.e
adc count
nu
mb
er o
f ev
ent 最大で45 p.e ピークまで
の観測に成功した
raw signal
1mV/div100ns/div
HPK100a
HPK100aV=48.0by blue LED
さらに、p.e ピークを見ることができた
ピーク毎の間隔は2％以内で一致していた
Great Performancefor Photon Counting!
pixelごとにGainがよく揃っている
京都大学 信原氏
量子効率の問題
神戸大 田村氏
二重ゲイン構造
Unknown Behavior
HPK1-63-1A-22by LED
adc count
nu
mb
er o
f ev
ent
大きさの異なる2通りのピークがみられた
HPK製の4つのMPPCにおいて、以下のようなADC分布が得られた
•ピクセルごとの Gainのばらつき•ピクセル間の X-Talk
可能性
HPKに聞いたが、原因は分からず
京都大学 信原氏
ピクセル 一様性 Compare efficiencies between 0photon events and more than 1photon events Efficiency = #of 0photon (or ≧1photon) event / #of all photon events Edge of sensor shows low signal efficiency Central area of sensor has good efficiency
Position dependence of efficiency
Efficiency : 0photon Efficiency : ≧1photon
新潟大学 伊庭氏
測定器開発室の役割
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測定器開発室の役割 （H17）
センサーの開発 短期的：実用化に向けてのサポート
開発の効率化、情報の共有 これまでは、T2K/ILCの各大学グループが独立にSiPM/
MPPCの性能試験• 各大学グループのファシリティの限界• 各グループの成果の相乗効果がない
KEKにテストファシリティをつくり、R&Dの中心となっていく。各グループが単独に行うのが難しいR&Dをサポート。 ＫＥＫ測定器開発室で情報を集積し、各グループのR&Dがコヒーレントに進むように調整。
デバイス製造メーカーへのフィードバック
測定器開発室の役割 （長期的）
センサーの開発長期間にわたる動作の安定性をもっているか？新しいアイデアに基づく試作をドライブ
• 大面積化など新しい分野の開拓 →HPKへの開発圧力
• TOF, TOP, チェレンコフ• 無機シンチレータ, PET
デバイスシミュレーション
システムとしてのインテグレーション読み出しスキーム … 他の開発部門(ASIC)との協調デバイスのパッケージングマウント方法
H17年度 研究計画1. テストベンチ構築(~2005/12)
当面の課題は、デバイスの動作を理解し、最適なバイアス電圧の決めること。 (~2006/03)
• 光子検出効率の精密測定
• 半導体の静特性(I-V)の測定 二重ゲイン問題の理解、ピクセルごとの特性評価
• Gain, QE, Breakdown Vのばらつきはどの程度か？
ピクセルごとに光を照射できるレーザー光源が、Ｒ＆Ｄを進める上で強力なツールとなる。
3. KEK-PSでのビームテストのサポート(2005/11)
H17年度 研究計画（つづき）1. デバイスのシミュレーション(~2006/1)
半導体のシミュレータを使って、動作を理解することからはじめて、最終的には新しいデバイスの提案ができるようになることを目指す。
2. 情報の共有 月1回のペースで打ち合わせをもつ 光センサー開発に携わっている人をあつめたワークショップを主催(12月)
レーザキャリブレーション
緑~青色パルスレーザ 2ns, 数10kHz スポット径 ~1um 位置決め精度~1um
測定器開発室への要求事項
テストベンチ パソコン CAMAC CC DC 電源 温度コントローラ レーザーシステム 実験室 磁石
プロトタイプ製作 人的資源
まとめ
SiPM/MPPC大きな可能性Ｒ＆Ｄが必要
測定器開発室光センサー部門テストベンチの提供ユーザー間の情報共有新たなデバイスの開発
Everybody Welcome!