CTA計画 半導体光検出器MPPCを用いたチェレンコフカメラの開発
日高 直哉A、田島 宏康A、奥村 曉A,B、河島孝則A、David WilliamsC,Aurelien BouvierC、K. BechtolD、S. FunkD、A. SimonsD、J. VandenbrouckeD、G. VarnerE、N. OtteF、他 The CTA Consortium
名大STE研A、レスター大B、UCSCC、SLACD、ハワイ大E、ジョージア工科大F

CTA計画 半導体光検出器MPPCを用いたチェレンコフカメラの開発
日高 直哉A、田島 宏康A、奥村 曉A,B、河島孝則A、David WilliamsC,Aurelien BouvierC、K. BechtolD、S. FunkD、A. SimonsD、
J. VandenbrouckeD、G. VarnerE、N. OtteF、他 The CTA Consortium
名大STE研A、レスター大B、UCSCC、SLACD、ハワイ大E、ジョージア工科大F

Cherenkov Telescope Array (CTA)
ガンマ線源
空気シャワー

チェレンコフ放射••••

H.E.S.

20 GeV〜100 TeV 以上の宇宙ガンマ線の観測
日米欧を中心とした国際共同実験
現在稼働中のチェレンコフ
望遠鏡から 10 倍の感度向上を目指す
複数の望遠鏡でガンマ線シャワーイメージを再構成‣検出光量からエネルギーを決定‣シャワーイメージから到来
CTA完成予想図

方向を決定

3

チェレンコフ望遠鏡•

望遠鏡で集光された光を光検出器で検出
焦点面検出器64 ch

チェレンコフカメラ
1 TeV ガンマ線
→ ~5000 光子(12 m口径望遠鏡)
5〜10 ns

CTA Small Size Telescope (SST)
dual mirror type

H.E.S.S.望遠鏡でのチェレンコフイベント例

4

チェレンコフ望遠鏡•

望遠鏡で集光された光を光検出器で検出
焦点面検出器(6 ✕ 6 cm2)
64 ch

6mm
6mm

チェレンコフカメラ
1 TeV ガンマ線→ ~5000 光子(12 m口径望遠鏡)
5〜10 ns

CTA Small Size Telescope (SST)
dual mirror type

32 × 64 pixel modules
2048 pixels
H.E.S.S.望遠鏡でのチェレンコフイベント例

5

MPPC (Multi Pixel Photon Counter)14.3 mm、1 つの APD から入射光量によらず一定の13.6 mm
PPD
では、直列接続した
APDとクエンチ
6mm
MAPMT
使い方
6.08 mm × 6.08 mm /ch
した APD ピクセルの数で入射する光子の数
8 ch × 8 ch
焦点面検出器の候補の一つ
MPPC
全ての APD ピクセルの電圧供給と読み出しード信号として出力される電荷 Qout は、受光しの出力 Q1 の積となる。
APD cell[図2] MPPCの等価回路

クエンチング抵抗

圧以上にして動作させることをガ。ガイガーモードの高電界においに対しても放電現象が発生するよガイガーモードのAPDピクセル電)。このときの電子の増倍率は10〜100 μmの大きさは入射フォトン数に関係

Qout = Nfired × Q1にクエンチング抵抗を接続すると、MPPCの出力増幅した一定のパルスを出力する回路にな

APDの個数浜松ホトニクス
MPPC技術資料より

KAPDC0029JA

1つのAPDの出力 図 3.3: PPD の等価回路
6

MPPC (Multi Pixel Photon Counter)13.6 mm

14.3 mm

6 mm

MPPC•
•
•

MAPMT
6.08 mm × 6.08 mm /ch
8 ch × 8 ch
焦点面検出器の候補の一つ

半導体光検出器
MAPMTに対して高い光検出効率望遠鏡の小型化が可能‣費用低減分を望遠鏡台数の増加に充てることでCTAでのガンマ線天体の検出感度向上

チェレンコフ望遠鏡へのMPPCの採用を目指す

7

MPPCの採用にむけて•光検出能力向上の実証‣MPPCとPMTの光検出効率を比較し、CTAでの性能向上を実測に基づき定量的に評価する (2012春発表内容)•- チェレンコフ光の検出光量は60%向上
基礎性能の詳細評価 (温度依存性、動作電圧依存性)‣CTAでは野外での運用→運用環境での最適な動作条件の決定が重要‣ダークカウント、光検出効率 、増幅率 (2012秋発表内容)- 増幅率、光検出効率は動作電圧のコントロールで安定した性能を得られる‣望遠鏡トリガー性能の見積もり (2013春発表内容)- クロストーク、アフターパルス測定8クロストーク、アフターパルス••

クロストーク‣増倍過程中に放射される二次光子によって別のAPD cellが励起

アフターパルス‣増幅キャリアが格子欠陥でトラップされ、ある時定数を持って再放出されて、再び増倍が起こる

9 A novel Photon Detector Concept for Experiments in High Energy Physics

Crosstalk

APD cellOtte 2007

9ピクセルトリガーレートの増加
クロストーク発生

電圧ガンマ線イベント

•••

ダーク信号
夜光信号発生

イベント取得のしきい値

アフターパルス発生

時間

クロストーク、アフターパルスの影響
ダーク信号や夜光信号がガンマ線イベントとしてトリガーされる
各p.e.閾値でのトリガーレートを求める‣4 p.e. で 数 MHz 以上 (6 × 6 mm pixel)- PMTに比べて高い

10

今回の測定•クロストーク、アフターパルスの改善されたMPPCのサンプル•

温度25℃で、これまでのMPPCと同様の測定をし、結果を比較
Solution: optically separate cells trenches

トレンチの設置によってクロストーク改善‣
pticalcross-talkreduction‣製造プロセスの見直しによりアフターパルスの低下

S11828-3344M

S12652

APD cell size

50 μm

50 μm

# of cells/channel

60 x 60

60 x 60

4x41

noyes

# of channelstrenches(D. McNally, G-APD workshop, GSI, Feb. 2009)

S1265211

今回の測定•クロストーク、アフターパルスの改善されたMPPCのサンプル•

温度25℃で、これまでのMPPCと同様の測定をし、結果を比較‣トレンチの設置によってクロストーク改善‣製造プロセスの見直しによりアフターパルスの低下
トレンチ有S11828-3344M

S12652

APD cell size

50 μm

50 μm

# of cells/channel

60 x 60

60 x 60

4x4

1# of channels
trenchesnoyes

S1265212

Over
Voltage
Breakdown
voltageandOver
voltage
Breakdown
voltageandOver
Breakdown voltage and Overvoltage
voltage•""Temperaturedependent
Temperature"‣
Temperaturedependent
dependent!!Overvoltage(∆V):
voltageaboveOvervoltage(∆V):
voltageabove!
Overvoltage(∆V):
voltageabove•breakdown
voltagebreakdown
voltagebreakdown
voltage

ブレークダウン電圧: Gain
= 0 at Gain=0!!Breakdown
voltage:voltage!Breakdown
Breakdownvoltage:
voltage:voltage
voltageatatGain=0
Gain=0

BreakdownBreakdown
voltage(V)
Breakdown
voltage(V)
Voltage
Breakdown Voltage (V)(V)
BreakdownBreakdown
voltage(V)
Voltage (V)

温度依存性あり

71.5
71.5
71.5

Over Voltage : ブレークダウン電圧からの電圧差""Gaindependenceonovervoltageisdependenceonovervoltageisis"Gain
Gain
dependenceonovervoltage
増幅率Over Voltageの依存性は温度に対
temperature
independenttemperaturetemperature
independent
しては一定 independent""Determinedbythecellcapacitanceby
thecellcapacitance"Determined
Determinedby
thecellcapacitance
APD cellの容量で決まる!106 6 6!1071
71 71

70.5
70.5
70.5

‣

Gain
Gain
Gain
Gain

70
70 70

69.5
69.5
69.5 53035405 5 1010 10 15
15 15 20
20 20 25
25 25 30353035 40 40
Temperature(°C)

Temperature(°C)(°C)
Temperature
Temperature(°C)
Temperature(°C)
Temperature (°C)
Gain
Gain vsvs OverOver Voltage
Voltage60.60.6
0.6
0.50.50.50.80.80.8
0.7
0.70.70.5
0.50.50.20.20.2
0.10.1
0.1

0.30.30.3

Characterization of Hamamatsu MPPCs using waveform analysis

Q•∆V
cell
QQ===CCCcell•∆Vcell
C===48CC
48cellcell
48fFfFcell

0.6
0.60.6

0.40.40.4
0.30.30.3

00
0 69.5
72.5
73.5
7474
74.5
69.5
707070.5717171.5
72727272.5
73737373.5
7474.569.5
7070.570.57171.5
71.5
72.5
73.5
74.5
Bias
Voltage(V)
Bias
Voltage(V)
Bias
Voltage(V)
Over
voltage(V)
Over
voltage(V)Overvoltage(V) (V)
Bias
voltageGain vs Over Voltage

6!10!1060.9
0.90.9

Gain
Gain
Gain
Gain
Gain
Gain

‣!100.90.9
0.9 !100.80.8
0.8
Breakdown
Voltage
Breakdown
Voltage
Breakdown
Voltage0.70.7
0.7

Breakdown Voltage vs Temperature
Breakdown
Voltagevs Temperature
Breakdown
Voltagevs Temperature

C55°°C
5°C
10°10°C
C°C
101515°15°C
C°C
2020°20°C
C°C
2525°25°C
C°C
3030°30°C
C°C
3535°35°C
C°C
4040°40°C
C°C

0.40.40.4

0.20.20.200 00.50.50.511 1

1.51.5
1.5

2 22

2.5
2.52.533 3OverVoltage(V)
OverVoltage(V)
Over
Voltage(V)
Overvoltage(V)
13
Overvoltage(V)
Overvoltage
(V)

•
•

100 μAまで測定
ダークカレントの低下により、より高い電圧(OverVoltage)での使用が可能となった‣クロストークとアフターパルスの低下によるもの考えられる

Dark current (µA)
Current

ダークカレント102

101● トレンチ無-1

1010-20● トレンチ有24681012
Over voltage (V)Over voltage (V)

14

増幅率

•

同じ電圧の場合で比較すると、増幅率は低いが、高い電圧をかけることでこれまで以上の増幅率が得られる

Gain
Gain

!103

1200
1000

Q = Ccell ・⊿V800

トレンチ無 Ccell = 48 fF

600

トレンチ有 Ccell = 29 fF● トレンチ無400● トレンチ有→トレンチの設置による有効面

20000

cellの容量の低下

1234567Over voltage (V)Over voltage (V)

積の減少(29 fF/ 48 fF ≒ 60% )15

PDE
PDEはVov ≒ 5 Vから飽和し、最も高い所でこれまでの60%‣トレンチの設置による有感面積の減少が原因 (cellの容量比と一致)
2.22● トレンチ無1.8● トレンチ有1.6
1.4
1.2
1(w.r.t.
MAPMT)PDE PDE(w.r.t.
MAPMT)PDE (w.r.t.
MAPMT)PDE (w.r.t.
MAPMT)••

MAPMTに対する相対的な検出効率を測定

2.221.8
1.6
1.4
1.2
10.80.80.6

0.6

0.40.4

トレンチ有0.200

トレンチ有

0.2
12345678
Over voltage (V)Over voltage (V)

00200

400

600

800

1000Gain
Gain!10316

クロストークレート••

同じ増幅率で、これまでの1/10以下に低減した

Cross Talk Rate
Cross
Talk Rate

Cross
TalkRate
Rate
Cross
Talk

PDEに対しては若干の改善 (PDE飽和前)1

110-1-110● トレンチ無● トレンチ有10-2-2100200

400600!103

800 voltage
1000 (V)OverGainGain

00.2 0.4 0.6 0.8

11.2 1.4 1.6 1.8 2PDE (w.r.t. MAPMT)PDE (w.r.t. MAPMT)17

アフターパルス

AfterpulseRate
Rate
Afterpulse

Afterpulse
AfterpulseRate
Rate•

これまでの1/10程度まで低下● トレンチ無10-1

10-1

10-2

10-2

10-3

10-3

0

200

400

600

800

1000!103
Gain
Gain

0

● トレンチ有0.2 0.4 0.6 0.81

1.2 1.4 1.6 1.8 2PDE (w.r.t. MAPMT)PDE (w.r.t. MAPMT )18

ダークカウント(> 4.5 p.e.)
クロストーク、アフターパルスの改善によって、同じ増幅率に対してでのカウント数は1桁以上低下
PDEに対しては改善せず

6>> 4.5
>
4.5
p.e.
p.e.
4.5p.e.

10

Dark
Dark
CountCount
Rate
Rate
Dark
rate (>4.5p.e.)

DarkCountrate (>4.5Ratep.e.)
Dark

•
•

● トレンチ無● トレンチ有105

610105

104

104

103

103

102

102

0200

400

600

800

1000!103
Gain
Gain> 4.5 p.e.

00.2 0.4 0.6 0.81

1.2 1.4 1.6 1.8 2PDE (w.r.t. MAPMT)PDE (w.r.t. MAPMT )19

トリガーレート
夜光バックグラウンド 5 MHz、4 p.e.閾値で計算
PDEに対しては、飽和する前で 1/10近くに低下

Rate
Trigger RateTrigger(>4 p.e., NSB
5M (Hz)Hz)

Rate
Trigger Rate
RateTrigger(>4 p.e.,p.e., NSB
NSB
5M(Hz)Hz)
Trigger(>45MHz)

••

1077
1066
1055
1044
1033
1022
10610105● トレンチ無● トレンチ有104103102
101-110-10107

11200 24003

600
4!103 10-1
0.2 0.4
0.40.60.60.80.81 1.2
1 1.4
1.2 1.6
1.4 1.8
1.6 21.82.2 20 0.2
5 800 6 1000
78
PDE (w.r.t.
MAPMT)
Gain
Over voltage(V)
PDE (w.r.t.
MAPMT)20

Gainトリガーレート
夜光バックグラウンド 5 MHz、4 p.e.閾値で計算
PDEに対しては、飽和する前で 1/10近くに低下
APD cell size 100 μmのタイプでは、同PDEで3桁近く改善
Rate
Trigger RateTrigger(>4 p.e., NSB
5M (Hz)Hz)

RateTrigger RateTrigger(>4 p.e., NSB
5M (Hz)Hz)

••
•

107
106
510104103102107106510● トレンチ有● トレンチ有104

100 μm cell

103
102

10101110-10● トレンチ無-1200 400 600 800 100012001400160018002000
Gain
Gain

!103 1000.2 0.4 0.6 0.8

1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2
PDE (w.r.t.
MAPMT)PDE (w.r.t.
MAPMT)21

まとめと今後•••

トレンチ付きMPPCのサンプルを測定
これまでのMPPCに比べ、クロストークレート、アフターパ
ルスレート共に同じ増幅率で約1/10低減
同じPDEとなる動作条件で比較した場合、トリガーレートは約 1/10 に低減‣今後、APD cellサイズの大きいタイプ(100 μm)のMPPCを用いることでPDEは改善する予定 (約60%増加)‣Si貫通電極 (TSV)を用いたMPPCによってパッケージングの損失を改善( 約30%増加)‣トレンチを薄くする施策
22