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APD を用いたシンチレータの波長変換

ファイバー読み出し系の開発

京都大学理学研究科　平出克樹次世代光センサーに関するワークショ

ップ2005 年 12 月 26 日 -27 日

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Contents

1. Introduction2. APD の基本特性3. 読み出しエレクトロニクスの開発4. APD 読み出し系の性能評価5. まとめ

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1. Introduction

• 2m x 2m x 0.3m• チャンネル数 ~10,000• 最小イオン化粒子に対し 期待される光量 ~125x( 量子効率 ) p.e.• 磁場 0.2T

シンチレータの波長変換ファイバー読み出しにアバランシェ・フォト・ダイオード(APD) が使えないか？

T2KT2K 前置検出器として用いる前置検出器として用いるシンチレータ飛跡検出器シンチレータ飛跡検出器

2m

0.3m

2m

波長変換ファイバー

棒状シンチレータ

ビーム

光検出器　

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1. Introduction

T2KT2K 前置検出器として用いる前置検出器として用いるシンチレータ飛跡検出器シンチレータ飛跡検出器

APDAPD の利点の利点•量子効率が高い 低光量の検出に有利•磁場中で使用可•コンパクトである

APDAPD の欠点の欠点•自己ゲインが低い 低ノイズ増幅器が必要•温度依存性が大きい

2m

0.3m

2m

波長変換ファイバー

棒状シンチレータ

ビーム

光検出器　

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2-1. APD の基本特性

1cm

HAMAMATSU S855032ch Si APD アレイ

ピクセルサイズピクセルサイズ 1.6 x 1.6 mm1.6 x 1.6 mm22

ピクセル間隔ピクセル間隔 2.3 mm2.3 mm

動作温度動作温度 -20~+60 -20~+60 ooCC

有感波長帯域有感波長帯域 320~1,000 320~1,000 nmnm

ピーク感度波長ピーク感度波長 600 nm600 nm

量子効率の波長依存性

量子効率量子効率 ~80% @~80% @500nm500nm(( 波長変換ファイバーのピーク波長で波長変換ファイバーのピーク波長で ))

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2-2. APD のゲイン - バイアス曲線

20 oC10 oC

0 oC-10 oC-20 oC

ゲイン (M) のバイアス電圧係数

dV

dM

M(M)kV

1

kkVV = 5.5%/V @M=100 = 5.5%/V @M=100

ゲイン (M) の温度係数

dT

dM

MMkT

1)(

kkTT = -5.5%/ = -5.5%/ooC @M=100C @M=100

)V(

)V(

V 10ADC

ADCGain

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2-3. APD のダークカレント

20 oC

10 oC

0 oC

• 室温 (20oC), ゲイン 100 倍 において、 IIdarkdark ~ 3.3 nA/channel ~ 3.3 nA/channel

• 冷却するとダークカレント は減少する。 +20+20ooCC-20-20ooCC で約で約 1/701/70 にに

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3-1. 読み出しエレクトロニクスの概要

VA32ch APD Amp

To VMEDAQ board

Biasfor APD

12

cm

20 cm

A/D 変換増幅・シリアル化

32chAPD アレイ

VA(ASIC)

VMEDAQ ボード

OP amp.(AD8058)

DAQPC

フロントエンドボード

プロトタイプフロントエンドプロトタイプフロントエンドボードボード

VME DAQVME DAQ ボーボードド

10 倍増幅

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3-2. VA による信号の増幅・シリアル化

IDEAS VA1

VA によるシリアル化の概略図 VA からの信号のタイミング図

・・・ 128 チャンネルの入力ラインをもつ 低ノイズ preamplifier-shaper 回路

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3-3. VME DAQ ボード

VME DAQ ボード• フロントエンドボードからのアナログ信号を A/D 変換を行う (12-bit flash ADC) 。

• VA 読み出しシーケンスの制御を行う。

• VA にテストパルスを送ることにより、各チャン ネル毎にキャリブレーションができる。

K2K 前置検出器 SciBar のために開発されたもの。

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4-1. 読み出しエレクトロニクスの基本性能

入力電荷に対する応答 直線フィットからのずれ

テストパルスを用いた入力電荷に対する線形性の測定結果

正の電荷に対して約 20MIP( 最小イオン化粒子 )に対応する 30fC まで ±2% 以内

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4-1. 読み出しエレクトロニクスの基本性能

ノイズレベルの分布

各チャンネルのゲイン、ノイズレベルの測定結果

1,000~2,000 electron RMS

チャンネルによってかなりばらつきがある

75~100 mV/fC

ゲインの分布

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4-2. 期待されるノイズレベル

2dark

2load ENCENCRMS] [ ENC -e

s][

[pF] 8200RMS] [ ENCload p

d- Ce

[nA] s][ 106RMS] [ ENCdark dp- Ie

期待される VA のノイズレベル

~390 electrons RMS

ダークカレントによるノイズダークカレントによるノイズ

入力負荷容量によるノイズ入力負荷容量によるノイズ

測定されたノイズレベルは期待されるVAのノイズレベルよりはるかに大きい

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4-3. テスト電荷に対する VA の出力波形

入力に何もつながっていないチャンネル

APD 読み出しに用いているチャンネル

入力に何もつながっていないチャンネルに比べPeaking time が短く、オーバーシュートがある。

アセンブリの際に VA にダメージが与えられてしまったように思われる。

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4-4. APD 読み出し系の性能評価

• LED のパルス光を波長変換ファイバーを通して APD に入射させる• 性能比較および光量モニターのため、 PMT でも同時に測定する• 恒温槽で温度を 0.1oC 以内で一定に保つ

LED

PMT

1.0mm WLS fiber

1.2m

APD front-endelectronics

Temperature chamber

back-endVME module

LED

PMT

1.0mm WLS fiber

1.2m

APD front-endelectronics

Temperature chamber

back-endVME module

PMTLED

Temperature chamber

APD front-endelectronics

1mm WLS fiber

VME DAQboard

1.2m

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4-4. APD 読み出し系の性能評価

LEDイベント

ペデスタル

PMT での測定 光量 :18.6 p.e. 分解能 : 23.8%

LED

PMT

1.0mm WLS fiber

1.2m

APD front-endelectronics

Temperature chamber

back-endVME module

LED

PMT

1.0mm WLS fiber

1.2m

APD front-endelectronics

Temperature chamber

back-endVME module

PMTLED

Temperature chamber

APD front-endelectronics

1mm WLS fiber

VME DAQboard

1.2m

最小イオン化粒子が厚さ 1cm のシンチレータを通過したときの信号と同程度

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4-5. 常温 (20C) でのパフォーマンス

APD 読み出し系の ADC 分布

得られた信号は期待値の期待値の約約 65%65% 。

ファイバーの受光面への接触不良 , 量子効率の不定性

ペデスタルの幅はエレクエレクトロニクスのノイズトロニクスのノイズが決めている。改善の余地あり

PMTPMT より良い分解能より良い分解能が得られた。

APDAPD ゲイン ゲイン ~ 100~ 100S/NS/N 比比 ~ 7.0~ 7.0

分解能 分解能 ~ 18.6%~ 18.6%

)(

)(/

ペデスタルの幅シグナルの大きさ

NS

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4-6. 低温 (-10oC) でのパフォーマンス

APD 読み出し系の ADC 分布

APDAPD ゲイン ゲイン ~ 250~ 250S/NS/N 比比 ~ 18.5~ 18.5

分解能 分解能 ~ 16%~ 16%

冷却することで APD の自己ゲインが大きくなり、 S/N 比が向上した。

)(

)(/

ペデスタルの幅シグナルの大きさ

NS

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5. まとめ

APD を用いたシンチレータの波長変換ファイバー読み出しシステムの開発を行い、その性能評価を行った。常温で、最小イオン化粒子からの信号に相当する入

射光に対し、 S/N~7 が得られた。ノイズレベルはエレクトロニクスのノイズが支配的

で、改善の余地がある。エネルギー分解能は PMT より良い。冷却することによりさらにパフォーマンスは上がる。ただし、温度コントロールをする必要がある。

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Backup slides

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VA による信号の増幅・シリアル化

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VA による信号の増幅・シリアル化

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フロントエンドボードのノイズ対策

APD バイアス電源ライン

にバイパスコンデンサを実装した

VA の電源ラインに多くのバイパス

コンデンサを実装した

APD バイアス電源のGND とボードの GND

を太いケーブルでつない

だ

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コモンモードノイズ

読み出しエレクトロニクスのノイズの測定結果 あるチャンネルの

ペデスタルの ADC 分布

-- あるチャンネルのもとの ADC 分布-- コモンモードノイズを差し引いた後の ADC 分布

全チャンネルに共通にのっているノイズがまだ存在している