mppc (multi pixel photon counter)mppc (multi pixel photon counter) 2 present detector...
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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