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

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MEG 実験 : μ+ e+γ search

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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。