meg ii 実験液体キセノン検出器のため の 大型 mppc の性能試験 1
DESCRIPTION
MEG II 実験液体キセノン検出器のため の 大型 MPPC の性能試験 1. 家城 佳 , 他 MEG II コラボレーション. MEG 実験 : μ + e + γ search. SM を超える物理の探索. BSM の予言 : BR(μ eγ ) =10 -12 ~10 -14 現在 の上限値 : 5.7×10 -13 (90% CL) (MEG 実験 , 2009~2011 年のデータ ). γ. μ +. 信号と BG. 信号 : μ eγ Back to back, E e =E γ =52.8MeV. γ. e +. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
MEG II 実験液体キセノン検出器のための大型 MPPC の性能試験 1
家城 佳 , 他 MEG II コラボレーション
1
MEG 実験 : μ+ e+γ search
2
e+
γ
μ+
μ+ e+
γ
~𝜇 ~𝑒
新物理の寄与(ex. SUSY)
• BSM の予言 : BR(μeγ) =10-12 ~10-14 • 現在の上限値 : 5.7×10-13 (90% CL)
(MEG 実験 , 2009~2011 年のデータ )
SM を超える物理の探索
信号と BG
信号 : μeγ Back to back, Ee=Eγ=52.8MeV
BG: - Radiative Muon Decay (RMD) μeννγ - Accidental BG e (μeνν) +γ (e+ 対消滅 or RMD)
eγ の位置、エネルギー、時間で区別
MEGMEG II にアップグレードし、 5×10-14 の感度を目指す。
MEG II ~ Upgrade of MEG ~
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e+
γ
μ+
ビーム強度> 2 倍
RMD BG 検出器
検出器の性能向上
γ: 液体 Xe 検出器
e+: Drift chamber + Timing counter
BG の更なる削減
位置、エネルギー、時間の分解能 2 倍検出効率 2 倍
2016 年より物理ラン開始予定 !
本発表
液体 Xe 検出器のアップグレード
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2inch PMT 216 個 12x12mm2 MPPC ~4000 個
γ
1m
世界最大の液体 Xe 検出器 (900)846 個の PMT
変更① : 内壁の PMT を MPPC に交換
変更② : PMT のレイアウトを変更
Energy leak 減少 均一なレスポンス
光子検出効率の一様性を改善
PMT サイズによって光子の検出効率が制限
wider
光子検出効率の一様性を改善
期待される分解能の向上5
γ エネルギー分布 (depth<2cm)
エネルギー分解能 : 2.41.1% (depth<2cm) 1.71.0% (depth>2cm)
MEG IIMEG I
γ 位置分解能
位置分解能 : 52.6mm (depth<2cm) 52.2mm (depth>2cm)
更に、 MPPC は物質量が小さいので、 γ 検出効率も増加。 6369%
MPPC+PMT
イメージング能力が格段に向上!
PMT
log scaleMEG IIMEG I
液体 Xe 用 MPPC の開発
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• Xe の真空紫外光 (VUV) に有感
• 大型 (12×12 mm2)• 速い応答 (fall time<50ns)
要求される性能
2.5mmこれまでの開発
• 保護膜を除去、 VUV 光を通すクォーツ窓で保護。反射防止膜を変更。 VUV 光に対し >15% の PDE を達成
• 大型化 capacitance の増大時定数が増加してしまう 4 分割したチップを基板上で直列接続 Fall time<50ns を達成
液体 Xe 検出器に必要な性能を持つ MPPC が完成!
- 50μm pitch pixel
Hamamatsu S10943-3186(X)
- metal quench resister ( 抵抗の温度変化が小さい )
- 4 つの独立したchip
次のステップ• Prototype 検出器による試験
約 600 個の MPPC が納入された。 実装前に室温 (20 )℃ ・低温 ( 液体 Xe 中 ) で動作試験する。
• 実機の開発 ( 今後 ) 約 4000 個の MPPC を大量試験
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Prototype 検出器
(~100 Xe)
室温試験
低温試験
- 全数動作試験と基礎特性の確認- 3mm 角 crosstalk 抑制サンプルの 性能確認
- 液体 Xe 中での動作試験 ( 少数サンプル )
- VUV 光で PDE, 波形 (fall time) の測定
本講演
小川
手法の確立
MPPC×576 個 (1 面 )PMT×180 個 (5 面 )
室温における大量試験
600 個 ×4chips = 計 2400 chips の各々について ① Gain, breakdown voltage (V② bd), ③ noise rate, crosstalk + afterpulse ④ 確率 (CTAP) を測定。基礎特性に問題が無いことを確認した。
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~6mm
新しい MPPC
本番の検出器では更にcrosstalk 抑制の仕様が追加される予定 ( 開発中 ) 。
TypeA TypeB TypeC
Chip 間のギャップと chip の大きさが若干異なる3種類を用意。
試験の目的 : 新しい MPPC の全数動作試験 実機用 MPPC 大量測定の手法確立
大量試験セットアップ
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読み出し基盤 (PCB)
LED
恒温槽
8 読み出し ch.×23 リレー設定 = 64chip• T = 20℃• LED trigger• Vhama - 1.2V ~ Vhama+ 0.6V の10点の電圧で測定
Vhama: 浜松推奨電圧 (Vover~2.5V@20 )℃
16MPPC (=64 chips)
リレースイッチ
3 段のリレースイッチによって読み出し chip を切り替え可能。
約2週間で全 2400chip を測定。
測定データの例と、問題点
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1p.e. 波形の例
~200ns
~5mV@V=Vhama
Pulse height 分布の例
1p.e.2p.e.
・・・
全 chip について、測定不能な chip が無いことを確認した。解析では gain などの特性を pulse height 分布や charge 分布から算出。
本測定で用いた PCB は、リレースイッチの on/off に依存してgain が変化してしまうことが測定後に発覚した。 (V=Vhama のとき0~10%程度 )本発表の測定結果には、その影響は補正されていない。
gain≡ 1p.e. と 2p.e. の 波高の差と定義
問題点
Breakdown voltage (Vbd)
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Gain vs. Vbias の例Vhama と Vbd
Vbd: Gain=0 まで外挿 したときの Vの値
全 2400 個中 19 個の chip では dark noise が多く 1p.e.ピークの分別ができなかった。しかし、液体 Xe の低温 (165K) では dark noise rate が5桁小さくなるので問題無いと考えられる。
Vbd は gain vs. Vbias のグラフを内挿することで算出した。
Vbd の値は T=20℃ のとき約64V 。
波の構造は、ウエハーの切り出し方に由来。
Vhama
Vbd 一部の chip ではノイズが大きく測定のエラーが大きい。
Noise rate
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Noise rate @ Vover=3.0V( 全 chip)
Noise rate の測定には LED off の波形データを用いた。2.5mV以上の信号を、 dark noise としてカウントした。
Noise rate は室温で 1~3MHz程度。一部 4~10MHz の chip がいるが、液体 Xe 中では 5桁減るので問題は無いと考えられる。
※浜松におけるアセンブリの手違いにより、 noise の多い chip が混入している。 ( 実機では無くなる )
Crosstalk + Afterpulse 確率 (CTAP)
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CTAP vs. Vover ( 全データ点 )
測定される 1p.e. 信号数 = 期待 1p.e. 数 (Poisson統計 )から CTAP 分減ったもの。
CTAP = 1 – (観測された 1p.e. の数 ) / (Poisson で予想される 1p.e.の数 )
Vover=3.0V で CTAP~50% 。 Vover が大きいと CTAP が非常に大きくなり、MPPC 信号の測定が難しくなる。
0p.e.1p.e.
2p.e.
3p.e.
CTAP
Charge 分布の例
Crosstalk 抑制サンプルの性能確認
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3×3mm2 の crosstalk 抑制サンプル 2 つを入手し、 crosstalk の測定を行った。
Crosstalk 確率は通常サンプルと比べて大幅に減少している。高い over voltage での運用が可能。液体 Xe 検出器には 12mm の MPPC に crosstalk 抑制の仕様が追加される予定。
Crosstalk 確率 vs. Vover
通常サンプル (3mm 角 , 50μm pixel)Crosstalk suppressed ACrosstalk suppressed B
by H. Nagashima
photon
crosstalk
pixel 間の溝で crosstalk 抑制
Crosstalk 抑制機構
(pixel size: 50μm)
まとめ• 大型で VUV 光に有感な MPPC が開発し、 prototype 液体
Xe 検出器用の約 600 個の MPPC の動作試験を行った。• 室温での全数試験の結果、使用不能な chip は無かった。
実機用 4000 個の MPPC を大量試験する手法を確立した。• 一部の chip は dark noise rate が非常に高かったが、液体
Xe 中では rate が 5桁落ちるので問題は無いと考えられる。• Crosstalk+Afterpulse 確率は Vover=3.0V で約 50% であっ
た。これは MEG II で問題となる大きさではないが、 crosstalk抑制サンプルでは更に約 15% に削減されている。
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Backup slides
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全データ histogram
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1p.e. charge @ Vover=3.0V 1p.e. pulse height @ Vover=3.0V
Noise rate @ Vover=3.0V CTAP @ Vover=3.0V
Breakdown voltage
全データ (vs. chip ID)
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1p.e. charge @ Vover=3.0V 1p.e. pulse height @ Vover=3.0V
Noise rate @ Vover=3.0V CTAP @ Vover=3.0V
MPPCごとの chip 間 Vbdばらつき
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Chipごとの Vbd – その MPPC の平均Vbd
※Relay の問題がなければ ばらつきはもっと小さいはず。