2MPPC (Multi Pixel Photon Counter)

Present detector Photomultiplier (PMT) & plastic scintillator.• 低ノイズ• 高利得(106～107)• 高価 !• 高電圧(～2.0 kV)• 大きい• 高磁場中使用：不可

MPPC ピクセル化されたAPD(avalanche photodiode)現在１００／４００／１６００ピクセルが販売中

ガイガーモードで動作 長所＆短所• 経済的 ！• 高利得 ～ 106

• 高磁場中使用：可• 小さい (5x5mm2)• 低電圧(～70 V)• 熱雑音

MPPC

充電

放電(信号)

クエンチ

V

標準モード

ガイガーモード

I

降伏電圧

3 Detector design

Positron detector for μSR（２）

■ Scintillator　 BC408, 10x12 mm2

■ WLS ：Y-11■ Reflector paint BC 620

S1とS２によるTelescope　>>ノイズの低減＆指向性

S1 (forward)S2 (backward)MPPC CH1

WLS2MPPC CH2 WLS1

Scintillator

Wave length shifter fiber

この４ピンレモ＋ケーブルは不可。（クロストーク有り＆GHz帯で使えない）

MPPCを基板にハンダ付け基板上に読み出し回路そのままASICの入力へ（ケーブル・コネクタなし）

４cm

量産型カウンターはスズノ技研と設計中FPGA基板（TDC→SiTCP）は計測Gで設計中ASIC基板（アンプ＋ディスクリ＋バイアス）は９月頃設計に入る。１１月には量産型第１機が出来るはず。年度内には２５６チャンネル完成予定。

4Characteristics

MPPCの特性測定(1)パルス波形

標準的な読み出し回路（カタログに載っている）

R１

C１

R

C

Bias (-Vcc)

Vout

GND

条件：Sr90β線源（Emax=2.28MeV）あり。シンチ１cm厚でほぼ全エネルギーを落とすVout-GNDを１ピンレモコネクタへレモケーブル２mでオシロへオシロ入力：５０Ω

パルスの形状は回路定数によらないC1=100nF~220nFC=100nF~220nFR1=10kΩ~820kΩR=10kΩ~820kΩ

の範囲で。

400px, bias=70V, Sr90bias: 10k, 100nFreadout: 10k, 100nF

20ns

5mV

ノイズフィルタ

5Characteristics

MPPCの特性測定(2): ピクセル数／回路定数依存性

100px, 70.6V, Sr90bias: R1=10kreadout: R=10k

100px, 70.6V, Sr90bias: 820kreadout: R=10k

100px, 70.6V, Sr90bias: 820kreadout: R=820k

400px, 70V, Sr90bias: R1=10kreadout: R=10k

400px, 70V, Sr90bias: R1=820kreadout: R=10k

400px, 70V, Sr90bias: R1=820kreadout: R=820k

立ち上がり／立ち下がりとも４００ピクセルの方が速い。

1600ピクセルの素子が有望。（８月納入予定）

回路定数に依存しない＝素子自身の内部抵抗（~200kΩ/px）と静電容量（~20fF/px）で応答速度は決まっているらしい。

C1=C=100nF

6Characteristics

MPPCの特性測定(3): 光量分布

PMアンプ3段(x125)で信号増幅Tで分けてLeCroyディスクリでゲートを作り、QDCで波高解析

増幅率x125、ディスクリVth=200mVでノイズレベルは0.2%程度

ASICのアンプをx10,ディスクリを20mV位の設計にする予定。

400px, C1=C=100nF, R1=R=10kΩ

0.1

1

10

100

1000

104

105

106

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

30mV

100mV

200mV

300mV

30mV+Sr90

100mV+Sr90

200mV+Sr90

300mV+Sr90

Counts/30sec

QDC channel

Cube scintillator+Wave Length Shifter

ch1bias=70.0VAmp=x125

S=83.4kcps, N/S=0.082

S=61.7kcps, N/S=0.0027

S=46.2kcps, N/S=0.000033

S=30.6kcps, N/S=0.204

線源なし＝ノイズ

線源の寄与

7Characteristics

MPPCの特性測定(4): バイアス依存性

公称動作電圧＝69.8V

バイアス電圧＋0.4Vで約２倍のパルス高となる。（PMTの+100V相当）

公称動作電圧＋1V/-0.5Vの範囲でバイアスを振れれば十分。

バイアスをかけすぎると歪んだスペクトルになる？赤矢印（QDCの問題かもしれないが。）

MPPC素子間の動作電圧のばらつきは大きいらしい。ASICのバイアス調整DACのレンジ／分解能を小さくするため、同じカウンター基板上のMPPCは特性を揃える必要があるかもしれない。

400px, C1=C=100nF, R1=R=10kΩ

0.1

1

10

100

1000

104

105

106

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

69.2V-30mV69.4V-30mV69.6V-30mV69.8V-30mV69.8V-100mV

70.0V-100mV70.4V-100mV70.8V-100mV71.4V-100mV

Counts/30sec

QDC channel

Ch1

Cube scintillator+Wave Length Shifter

with Sr90？

3Characteristics

MPPCの特性測定(1)パルス波形

標準的な読み出し回路（カタログに載っている）

R１

C１

R

C

Bias (-Vcc)

Vout

GND

竹下シンチに素子を付け替えたSr90β線源（Emax=2.28MeV）あり。シンチ１cm厚で全エネルギー損失

パルスの形状は回路定数によらない

HVでパルス高を揃えた

R1=10k, C1=100nFR=10k, C=100nF

20ns

5mVノイズフィルタ

100px, bias=70.6V for 70.17V

400px, bias=70.0V for 69.82V

1600px, bias=73.5V for 71.74V

1600pxで回復が遅いのは、MPPCクエンチング抵抗を上げてあるためらしい（浜フォト談）

1.0mm2 vs. 1.3mm2

1.0mm2 (bias: 70.0V)20 x 20 = 400 px.

1.3mm2 (bias: 71.3V)26 x 26 = 676 px.

@¥3290

1.0mm2 vs. 1.3mm2

1.0mm2 (VB=70.0V) 1.3mm2 (VB= 71.3V)

(VB+0.3V) (VB+0.3V)

PHA