高輝度環境下での SiPMの 1 光子時間分解能測定
前田朱音A、 居波賢二A、飯嶋徹ABC、吉原圭亮B、都築識次A、児島一輝A、大久保亮吾A、鷲見一路A、中野友也A、安達佑也A、
他 Belle II TOP グループ
名大理A 、名大 KMIB、 KEK素核研C

2021/09/27

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研究の背景KEK（つくば市）で行われているBelle II実験に参加

Belle II 検出機

Belle II実験
大量のB、D、τなどを生成し、標準理論の精密測定や新物理探索を行う
今後現目標の5倍以上の高輝度化も検討され、ビーム由来のバックグラウンド（BG）の上昇が想定される
将来の高輝度環境下で物理成果を獲得するには検出器のBG耐性が重要TOP（Time-Of-Propagation) カウンター
Belle II 検出器でπとK識別を担う石英ガラスを輻射体とするリン イメー 型チェレンコフ検出器
光検出器への要求

TOPカウンター

性能を決める主なパラメータ：
1光子時間分解能 、 光子検出効率
動作環境：磁場中 (1.5 T) 、放射線FPWS2021 / 前田 朱音
ジグ

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現状の光検出器
Micro-Channel-Plate (MCP)-PMT

MCP-PMT

27.6 mm

時間分解能： 34.3 ps
光子検出効率 (360 nm)： 29.3%
放射線耐性と磁場中での動作保証
TOP の高い粒子識別性能を実現

27.6 mm

データ取得による積算出力電荷の増加に伴い量子効率が低下する問題が存在検討されている高輝度、高BG下で光検出器の長寿命化が必要

相対量子効率 (400 nm)

運転年数に伴う量子効率の変化

色はタイプの違いによる新しい光検出器導入を検討
運転年数 (西暦)
Kodai Matsuoka. The Belle II Experiment: Status and Prospects. ICHEP2020. July 2020.

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SiPMの利点
SiPM (Silicon Photomultiplier)
ガイガーモードアバランシェフォトダイオードをマルチピクセル化
公称性能
時間分解能： O(100 ps)
光子検出効率(400 nm)：~35%
ダークカウントが多い (~0.5 MHz)
光子検出効率を変更したの誤識別率• 磁場に対して安定• 出力電荷量で劣化しない• 光子検出効率の向上による粒子識別性能

誤識別 [%]

SiPM導入の利点

MCP-PMT
SiPM

向上の可能性 (シミュレーション)（第７５回年次大会 17aG22-6 前原）
BGレート[MHz/ch]

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検討課題
検討課題• 時間分解能の低下
100 ps程度であればTOPの粒子識別性能に影響はない（2020年秋季大会 15pSF-10 前原）• パイルアップによる影響- SiPMの出力波形は一般に80〜120 nsでMCP-PMTの数十倍- 現目標輝度で想定されているヒットレートは
約0.5 MHz/4 mm × 4 mm

- 中性子損傷によりダークカウントが増加
現目標ルミノシティで予測されている： 1010 − 1011中性子/cm2
1MeV換算の最大年間中性子照射数
パイルアップ事象では有限の立ち上がり速度で時間分解能が悪化し、TOPの性能低下を招く

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研究課題
対策案
低温環境での動作：中性損傷によるダークカウントの発生を抑制
波形解析：パイルアップの影響を抑制（現行のTOPの読み出しで使用）−20 ℃の低温環境下においてダークカウントが低下
時間分解能が100 ps 程度（2021年年次大会 14pT2-5 前田）

研究内容
1. 信号としてのレーザー光に加えBGとしてLED光を入射し、時間分解能への影響を評価する
2. 読み出し系をTDC-ADCからデジタイザーに変更し、波形解析による時間分解能への影響を評価する

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BG入射のためのセットアップ
光ファイバー

浜松ホトニクスのS13360-3050VEを使用

レーザー光

チャンネルサイズ：3 mm × 3 mm
ピクセルピッチ：50 µm

500 Hzで発光するレーザーと光量可変なLED(660 nm)を設置

LED
NDフィルター

暗箱
SiPM

恒温槽

温度変化による増幅率の変動を防ぐため、動作電圧を各温度毎に決定

相対増幅率

降伏電圧の導出

CAMACのADCカウントから各温度における降伏電圧を算出
動作電圧
2021/09/27­20 ℃：52.5 V+26 ℃：55.1 V
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印加電圧 [V]7 / 13

デジタイザー
使用したデジタイザー

DRS4を使用したデジタイザー（BBTX-112）を使用した

Trigger
InputsADC

Amp.

DRS4が1024個のコンデンサーを用いて5 GHzで波形情報をサンプリング• パルスジェネレーター(ガウス)• 33 ns程度の時間差

DRS4

Powersupply

実際に得られた波形データ=>時間分解能：4.6 ps
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DataOut

補正後の時間分解能

電圧 [mV]

波形解析とサンプリング誤差に対する補正でサンプリング周期以上の時間分解能を持つ

FPGA

時間 [ns]FPWS2021 / 前田 朱音

8 / 13時間分解能評価方法
CAMACのTDC-ADCを用いた測定では同様の手法で組み、評価の方法も踏襲（2021年年次大会 14pT2-5 前田）

デジタイザーを用いた場合

波形解析の方法• 電位差から半波高の電圧(赤点の電圧)n算出点を求め、その前後のサンプル(青点)を求める• 前後のサンプルから一次関数を利用し、信号の到達時刻(赤点の時刻)を導出する

n+1

時間

デジタイザーで取得した時間分布

事象数最下点の電圧(緑点)を求める

電圧• データからベースライン(赤線)と• 得られた時刻を用いてTDC-ADCと同様に時間分解能を評価
時間[ns]

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9 / 13時間分解能の測定結果
ノイズレートごとに時間分解能を評価
ノイズ： 低温で数％、室温で数十％のダークカウントとLED由来のBGを含む

時間分解能[ps]低温(­20 ℃)での測定結果

TDC-ADCを用いた解析で時間分解能が2 MHzで160 ps程度まで悪化
時間分解能[ps]

デジタイザーを用いた解析で時間分解能の悪化が100 ps程度に抑制

ノイズ[MHz]
室温(+26 ℃)での測定結果

波形解析の導入によりノイズの影響が低減されたと考えられる
ノイズ[MHz]2021/09/27

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ノイズの影響
ノイズの増加による影響について
デジタイザーで取得したデータから調査• 立ち上がり速度に大きな変化はなく

標準偏差[mV]

室温環境時のベースライン分布の変化-0.01 mV/ps 程度• ベースライン標準偏差が約４倍増加

標準偏差と立ち上がり速度から信号到達時刻の振れ幅を試算

ベースラインの幅が時間分解能に影響を与えるほどの時間的な幅を生み出す

信号時刻の振れ幅[ps]ノイズ[MHz]
信号時刻の振れ幅

ノイズ[MHz]2021/09/27

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11 / 13波形解析の効果ベースラインが動揺しない場合
解析手法によらず正しく信号の時刻を測定することができる閾値
(1/2波高)ベースライン

ベースラインが動揺する場合
TDC-ADCの解析

波形解析

予期した
ベースライン
デジタイザーによる波形解析でベースラインのふらつきの影響は低減され、時間分解能を100 ps程度に維持することが可能
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まとめと展望
Belle II 実験 TOPカウンターの新しい光検出器としてSiPMに着目すると、パイルアップ対策が必要
室温、低温の両環境下でLED光を入射し、TDC-ADCの読み出しでは時間分解能が2 MHzで160 ps程度まで悪化
デジタイザー読み出しによる波形解析の導入により、時間分解能の悪化を抑制できる
２MHzまでのノイズでTOP実装に必要な100 ps程度の時間分解能を達成

今後の展望
3 MHz以上の高いノイズの環境下で実験を行い、波形解析の手法確立と性能限界を調査する
出力波形の短いSiPMで同様の実験を行う
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