半導体検出器ＭＰＰＣの実用化への進展

中平　武 (KEK)

KEK 測定器開発室　光センサーＧの皆様

ＭＰＰＣ MPPC の動作原理・特徴MPPC のＲ＆Ｄの進展中性子線による放射線損傷の測定

目的：高エネルギー実験で汎用的につかえるか？今後の展望

PPD (Pixelated Photon Detector)ＰＰＤ : 多数の”ガイガーモード APD+ 抵抗”が並列接続

MPPC: 浜松ホトニクスでの製品名 個々の Pixel の動作

• 光子入射 e-h 対生成 Geiger モードで増幅 (105~106) 抵抗に電流が流れて APD の電圧降下 Geiger 放電停止

• 光量によらず一定波高のパルスを出力 (“binary device”) 光量が十分小さければ、 1pixel に 1 光子しか来ない

• Geiger 放電を起こした pixel 数 ＝ 入射光子数 が成り立つ 素子の出力は、各ピクセルの“ Wired-OR” ( アナログ１出力 )

• 出力信号の大きさ Geiger 放電を起こした pixel 数 = 光子数• ナイーブにはダイナミックレンジ ( 最大光子数 ) < ピクセル数だが… .

：磁場中で動作 , 低動作電圧（ ~70V ） , 高検出効率 ：素子サイズが小さい , ダークノイズレート（数百ｋＨｚ） ,

放射線耐性？ 1 mm

Substrate

Vbias

output

APD

電荷分布

pedestal

1p.e.出力信号

2p.e.3p.e.

4p.e.

電荷 ( 波高 ) が光子数で、高 S/N 比で量子化されている : “ 擬デジタル信号”

p--epi

Subst. n++

p+

Si Resistor Vbias

Guard ring

geom

Geiger

Q.E.

MPPC の性能のパラメータ電荷分布

pedestal

1p.e.ゲインブレイクダウン電圧 :V0

ガイガー放電を起こすのに必要な電圧 Vo 自体は温度依存性がある . (~50mV/K) ノイズを除く特性は、 V Vbias – V0 の関数

光子検出効率 (PDE)PDE = geom Q.E. geiger geom: 有感領域の幾何的な効率 Q.E.: 光子による e-h 対生成の確率 geiger: e-h 対が Geiger 放電を起こす確率

ノイズレート・暗電流 熱励起による e-h 対生成が、 1 光子と同じ信号を出力

クロストーク なだれ増幅の際に副次的に発生する光子が、隣の

ピクセルに検出される 1 光子が 2 光子以上として検出される

アフターパルス 信号を出したピクセルが再度信号パルスを出す .

時間分解能リカバリータイム

信号を出したピクセルが、再度信号を出せるようになるまでの時間

gain

バイアス電圧

ゲイン

V0

Vbias

MPPC の R&D の進展T2K 実験向けにマス・プロダクション開始

15,000ch (~Mar. 2008) 1.31.3mm2

それに先立ち、 300 個での特性評価。ノイズ以外の特性は、よく揃っているILC カロリーメータのビームテストでの使用

~1600pixel : ~5000 個 入射光子数がピクセル数を超えても出力が飽和しない

各ピクセルのリカバリー時間 << 発光時間 なので、 1 つのピクセルが複数回 光子を検出

ＭＰＰＣ出力信号の時間特性の理解 リカバリー時間の測定 : ~4ns (1600pixel) アフターパルスの寄与 >> クロストーク

Belle Aerogel-RICH 向け R&D 33mm2 の性能評価 有効面積の拡大のための光学系 ( ライトガイド )

放射線耐性, p, n, 重粒子線 (C)

低温 (LN2) での動作

中性子照射試験東大原子炉（”弥生”＠東海

村 )平均エネルギー : 0.8~1.5MeVFlux: 1.5109 n/cm2/Wh 原子炉の出力と暴露時間で照射量を調整

照射期間1 回目 (5/17,18 ）

• 0.8~3.3108 n/cm2

• 1011 n/cm2, 1012 n/cm2, 1013 n/cm2

2 回目 (11/15,16)• 3108 n/cm2 ~ 31011 n/cm2

炉心

T. Nakamura, T. Nakadaira (KEK), K. Miyabayashi, T.Hirai(Nara WU), T.Matsumura(NDA), S.Tsunoda (TSU), H.Yamasaki, T.Ikuno(Tsukuba),T.Nakagawa, I.Saito(U-tokyo)

100pixel: 1.01010 [n/cm2] 以下400pixel: 1.01011 [n/cm2] 以下 照射前と同様にパルスの波高が離散的。

パルスの波高分布が連続的光子計数は不可能に .

1.6×108 [n/cm2] 照射後のパルス波形（ 100pixel ） 1.00×1011 [n/cm2] 　照射後のパルス波形（ 100pixel ）

放射線損傷後の波形

100pixel: 3.01010 [n/cm2] 以上400pixel: 1.01011 [n/cm2] 以上

照射直後の測定では、 1010[n/cm2](100pixel)1011[n/cm2](400pixel) を境に変化がみられる .※ 照射中にバイアス電圧がかかっていたか否かで違いは見られなかった .

アニーリング照射量が 1010~1011[n/cm2] 場合、照射直後には光子

計数できなかったものが、 1 週間後の測定では波高分別できた . MPPC の特性を照射時から経時変化も測定

400pixel, 3×1010 　（ n/m^2 ） ,Vop,

11/15 11/24

暗電流 (I-V 特性 )損傷後のサンプルでは、 I-V 特性が顕著に違う .

ガンマ線による損傷の場合と異なる赤外線写真で観察した暗電流の分布にも相違が見られる

60Co -rayPD07 T. Matsubara (TIT)

未照射 70.92V,5uA 3x10 11 n/cm2

1011 n/cm2 以下での影響：ノイズレート

照射量に伴ってノイズレートが顕著に増加する。熱雑音が増えているのか、アフターパルスが増えているのかの

測定が今後の課題。 ( 後者の場合、リニアリティに影響が出る )

１００ pixel ４００ pixel

preliminary preliminary

1011 n/cm2 以下での損傷

ブレークダウン電圧には、特に大きな変化は見られない

１００ pixel ４００ pixel

preliminary

preliminary

ゲイン vs. V

ゲインカーブに変化は見られないが、ノイズレート・暗電流の増加のため実質的に得られるゲインは低下する。

preliminary

ゲイン vs. V

400 ピクセルのサンプルでは、 1010 n/cm2 以上でゲインの低下が見られる

まとめと今後の展望ＭＰＰＣが高エネルギー実験で汎用的に使えるかどうかを確かめるため、中性子線による放射線損傷を測定しました。現行製品では、 1011 n/cm2 あたりが限界か？1011 n/cm2 以下では、ノイズレートが顕著に増加ＰＤＥが変化していないかどうか？

アフターパルスが増えているか ? の測定が今後の課題