MPPCによる結晶シンチレータ―の読み出し光量測定• MPPC光検出器の基礎特性測定• 結晶シンチレータ+MPPCによる137Csのγ線検出
奈良女子大学高エネルギー物理学研究室 4回生
岡田 伊織

2023年3月3日

目次
1. 研究背景2. 研究目的
3. 実験方法
4. 実験結果

5. まとめ、考察2

SuperKEKB加速器• SuperKEKB加速器は電子(7GeV)と陽電子(4GeV)を衝突させる、衝突型円形加速器• 極めて多くのB中間子と反B中間子対を生成する目的を持つ• 衝突点に設置されたBelle Ⅱ測定器が衝突によっておこる反応をとらえる

引用元:Super KEKB and Belle II (belle2.org)

3

Belle Ⅱ測定器
【崩壊点位置検出器】
粒子の通過位置【中央飛跡検出器】
粒子の通り道の測定、粒子の種類の識別

電子7GeV【電磁カロリメータ】
陽電子4GeV

電磁シャワーを利用してγ線や電子のエネルギー損失測定【μ粒子・中性K中間子検出器】引用元:BelleIIsmall (belle2.org)

4電磁カロリメータ
CsI(Tl)結晶…8736本

電子7GeV

陽電子4GeV

結晶1本あたり…断面積:約6cm×6cm
長さ:30cmの塔状の形

引用元:LoI_detector.pdf (kek.jp)【結晶シンチレータとは】粒子が入射してエネルギー損失を起こした時に蛍光を発する物質→CsI(Tl)【半導体ピクセル検出器とは】光を検知すると電気信号を出す光センサー→PIN-PD

引用元:LoI_detector.pdf (kek.jp)

5プリシャワー検出器
プリシャワー検出器とは既存のCsI(Tl)結晶シンチレーターの直前に置くことを想定していて、アクティブ吸収層と通過位置検出サンプリング層を1層とするものを厚み方向に3層並べたもの
プリシャワー検出器の３つの役割
1. 既存のCsI(Tl)の前に重くて応答の速い検出器を置くことにより、ビームバックグラウンド粒子の多くがCsI(Tl)に届かず、パイルアップを低減する
2. 厚み方向の分割により、1層毎にシャワー中の電子・陽電子の通過位置が分かるため、γ線の到来方向が分かる
3. 厚みが3放射長程度のプリシャワー検出器を想定すると、大半のエネルギーを失う。そのエネルギー損失を測定機能を持たせるために結晶シンチレーターを使用する

6

目次
1. 研究背景2. 研究目的
3. 実験①、実験②
4. まとめ7

研究目的
シンチレーターに光検出器を組み合わせたシンチレーションカウンターでの、入射した粒子のエネルギー損失により発生したシンチレーション光が光検出器の受光部に届く確率、集光効率は以下の要素で変化する【様々な要因の例】シンチレーターの屈折率や透明度表面の平滑性、該当する波長における反射材の反射率、光検出器の受光部面積や取り付け位置などフォトンカウンティング能力のある光半導体検出器である浜松ホトニクス社製MPPCを使用して、BGOおよびFast-LGSOシンチレーターの読み出し光量を測定した

8

MPPC(Multi Pixel Photon Counter)
MPPCとは➢SiPMと呼ばれるデバイスの一種➢碁盤の目に切ったピクセル1つずつが独立したガイガーモードAPDであるフォトカウンティングデバイス

引用元:MPPC (SiPM)・SPAD | 浜松ホトニクス (hamamatsu.com)

引用元:MPPC (SiPM)・SPAD | 浜松ホトニクス (hamamatsu.com)<特徴>• 低電圧で動作し、高増倍率で低ノイズ、磁場の影響を受けない…など<動作原理>• 多数のAPDピクセルが並列に接続• APDはガイガーモードで動作• 各ピクセルの出力の和で光子数を測定

9

<MPPCのピクセルの特徴>• 各ピクセルからの出力パルス数は必ず１つ→ピクセルに光子が複数個入射した場合も出力パルスは1つ• 入射フォトン数が全ピクセル数に対して少ない場合、「入射フォトン数」＝「反応したピクセル数」

入射フォトン数が全ピクセルに対して多い場合、「入射フォトン数」≠「反応したピクセル数」
結果については、入射フォトン数＝反応したピクセル数となる条件が成り立っているか考察する。

10

<使用したMPPC>

1.3mm

6.0mm

電子雪崩の形成が可能になる電圧

11

目次

1. 研究背景2. 研究目的
3. 実験①、実験②

4. まとめ12

実験内容① MPPC光検出器の基礎特性測定
・電圧を変化させてMPPCの特性である増倍率を調べる
・MPPC1mm角と6mm角の入射光子数の絶対値を測定&推定② 結晶シンチレータ+MPPCによる137Csのγ線を用いた入射フォトン数の測定• シンチレータの発光でMPPCの受光面に入射する光子数• (減衰時間)• (エネルギー分解能)13

目次
1. 研究背景2. 研究目的
3. 実験①、実験②
4. まとめ14概要①-1 電圧と増倍率の関係
1.3mm角MPPC
LEDをパルス点灯

MPPCの特性である増倍率を求め、MPPCの性質と扱いに慣れる

15

方法① 電圧と増倍率の関係(1.3mm角)<測定のセットアップ>

引用元:MPPC (SiPM)・SPAD | 浜松ホトニクス(hamamatsu.com)

16方法① 電圧と増倍率の関係(1.3mm角)

LED回路
MPPC回路17Clock Generatorの幅と周波数<Clock Generator>• クロック周期設計の論理回路が動作するときに複数の回路間でタイミングを合わせるために使用され、電圧が高い状態と低い状態を周期的にとる信号を出すモジュール

TTL
9ns
6ns

NIM

18信号電荷分布の求め方１<オシロスコープの画面の様子>

信号電荷はアナログ値(電圧)からデジタルオシロスコープによりデジタル化(8ビット整数に変換)したデータを積分して得る。

Vpedをゼロ点の平均値とすると、信号のデータとゼロ点の差は• 横軸のデータを1000点ブロックでデータ転送される• 赤い部分=信号パルス立ち上がり以前のデータの平均値をゼロ点とする

19信号電荷分布の求め方２<信号見る時の等価回路>• 8bit整数値×電圧/256＝ΔV• 1000点ブロックの時間間隔＝Δt• レモケーブルの特性インピーダンスが50Ω→オシロスコープの終端抵抗も50Ωオシロスコープ

R = 50Ω20

結果①ダークパルス(1.3mm)<ダークパルス>

count

暗黒環境下で室温に半導体を置いているため熱励起による電子正孔対が発生し、それがガイガ―モードで増幅され、信号パルスとして検出されるもの

1p.e.
2p.e.

ダークパルス

00.1

0.30.5Integral 𝟏𝟎−𝟏𝟑 𝑪21

結果① LED点灯時の波形の様子<降伏電圧以上 52V~56V>

52V

53V

55V

54V

56V

22

結果①

電圧と増倍率の関係(1.3mm角)<降伏電圧以下

50V>

降伏電圧以下=電子雪崩形成起きない電圧
LEDを点灯させるパルスの影響が見える23

結果① LED点灯時の波形の様子<降伏電圧以上 52V~56V>

52V

53V

54V

降伏電圧を上回る電圧をかけても、LEDを点灯させるパルスの影響が大きく見え、MPPCのが信号が分かりにくい
56V
55V→積算して信号電荷の分布で見てみる。

24

結果①LED点灯時の信号電荷分布の様子<52V~56V>

横軸：integral(𝟏𝟎−𝟏𝟑 C)、縦軸：イベント数

52V

1p.e.
ペデスタル

54V

53V

2p.e.

55V
integral(𝟏𝟎−𝟏𝟑 C)

56V
09025

LED点灯時の信号電荷分布の様子<52V~56V>

横軸：integral(𝟏𝟎−𝟏𝟑 C)、縦軸：イベント数

Count

結果①

1p.e.
2p.e.
ペデスタル
52V

54V

53V

56V

integral(𝟏𝟎−𝟏𝟑 C)

26

結果①

LED点灯時の信号電荷分布の様子<52V~56V>

横軸：integral(𝟏𝟎−𝟏𝟑 C)、縦軸：イベント数

52V

1p.e.

53V

54V

2p.e.

• 信号電荷分布で見ると、検出フォトン数に応じた離散的な分布を確認できる
55V
56V• 電圧が上がるにつれて二つのピーク間の大きさが大きくなる

ペデスタル

27

ガウスFit
横軸：integral(𝟏𝟎−𝟏𝟑 C)、縦軸：イベント数

分布のピーク値を知るために、ガウス分布でFitする

28

電圧と増倍率の関係(1.3mm角)<増倍率の計算結果>

電圧(V)

増倍率(𝟏𝟎𝟔 )522.4533.4544.9555.8566.5

Gain

結果①Bias Voltage(V)• カタログ(25℃、54V)の増倍率
4.0×𝟏𝟎𝟔 と近い値をとる• 電圧を上げるとほぼ直線的に増倍率が上昇する

29

計算方法①

検出フォトン数の平均値<計算方法>
信号電荷分布が離散的なグラフならば、MPPCの検出フォトン数を平均値にもつポアソン分布に従う

𝑵𝒑𝒆𝒅

離散的な信号電荷分布から検出フォトン数の平均値が分かる

30

計算結果① 1.3mm角の検出フォトン数(平均)(a)

検出効率(Photon Detection
Efficiency：PDE)

幅：９ns
周波数：10Hz

1.3mm角 50%① (a)にNpedとNtotに代入

Count(b)𝑵𝒑𝒆𝒅 =2402→検出フォトン数の平均を求める② 1.3mm角のPDE50%を(b)に代入→入射フォトン数を求める
Integral 𝟏𝟎−𝟏𝟑 𝑪

31概要①-2 6.0mm角における入射フォトン数
離散的なグラフ

LEDを光らせるためのクロックジェネレータ

1. 1.3mm角MPPC ＋ LED点灯
検出フォトン数(平均)から入射フォトン数
離散的なグラフでない

2. 6.0mm角MPPC ＋ LED点灯(上と同条件)
入射フォトン数から検出フォトン数(平均)32結果① 1.3mm角のダークパルス

Count<暗黒環境下>Integral 𝟏𝟎−𝟏𝟑 𝑪

0.２ 0.434

結果① 1.3mm角のダークパルス
幅：6ns
周波数：10Hz

幅：９ns
周波数：10HzcountCount<暗黒環境下>

1p.e.
2p.e.

0

Integral 𝟏𝟎
0.1

0.3

0.5−𝟏𝟑Integral 𝟏𝟎−𝟏𝟑 𝑪𝑪

0.２ 0.435

結果① 1.3mm角

Count<LED点灯時>

6ns
Integral 𝟏𝟎−𝟏𝟑 𝑪0204036

<暗黒環境下>6.0mm角のダークパルス

1.3mm角のダークパルス

Count

結果① 6.0mm角のダークパルス

Integral 𝟏𝟎−𝟏𝟑 𝑪

0200• ピクセル(50μm角)が1.3mm角のピクセル(75μm角)より小さく、増幅率が小さいためか離散的な信号電荷分布にはならなかった。

37

<LED点灯>

Count

結果① 6.0mm角

Integral 𝟏𝟎−𝟏𝟑 𝑪4080

有感領域の面積と光子検出効率から→1.3mm角の入射フォトン数(平均)を用いて6.0mm角の入射フォトン数(平均)を計算してみる。

38

結果① 1.3mm角の入射フォトン数
検出効率(Photon Detection Efficiency：PDE)(a)1.3mm角6.0mm角

50%
40%

幅：6ns
周波数：10HzCount(b)

𝑵𝒑𝒆𝒅 =2446① (a)にNpedとNtotに代入→検出フォトン数の平均を求める② 1.3mm角のPDE50%を(b)に代入

Integral 𝟏𝟎−𝟏𝟑 𝑪→入射フォトン数を求める

39

結果① 6.0mm角の入射フォトン数① 1.3mm角と6.0mm角の面積比1.3mm角6.0mm角
Count

(a)

検出効率(Photon Detection Efficiency：PDE)

50%
40%

幅：6ns
周波数：10Hz

ピーク値=5.7pC→入射フォトン数を求める② 6.0mm角のPDE40%を(a)に代入→検出フォトン数を求める
Integral 𝟏𝟎−𝟏𝟑 𝑪40

結果① 6.0mm角の入射フォトン数
検出効率(Photon Detection Efficiency：PDE)(a)1.3mm角6.0mm角
Count

(b)

50%
40%

幅：6ns
周波数：10Hz

ピーク値=5.7pC① (a)にNpedとNtotに代入→検出フォトン数の平均を求める② 1.3mm角のPDE50%を(b)に代入Clock Generator(幅6ns、周波数10Hz)のパルス信号によるLED点灯→入射フォトン数を求める→入射フォトン数(平均) 1.3mm角 1.43個
6.0mm角 27.46個

Integral 𝟏𝟎−𝟏𝟑 𝑪

41

目次
1. 研究背景2. 研究目的
3. 実験①、実験②
4. まとめ42

概要② シンチレータにおける光量測定• 6.0mm角MPPC ＋ BGO + 137Cs• 6.0mm角MPPC ＋ FastLGSO + 137Cs

1. 信号電荷分布のピーク値の比較
2. BGOとFastLGSOの検出フォトン数(平均)

43

実験②

ピークについてコンプトン散乱により物質内の電子の弾き飛ばされる角度が様々なので、電子に与えるエネルギーは連続的なピーク＝コンプトン連続部

光電効果(全てのエネルギーを物質内の電子に与えて止まる)によるピーク＝全吸収ピーク

コンプトン連続部の最も高い領域で散乱角が180度＝コンプトンエッジ

44

方法②
<測定のセットアップ><セシウム137の崩壊図><シンチレータ>45

方法②結晶シンチレータ(BGO or FastLGSO)
テフロンシートGoreTex(反射材)で包む

6mm角のMPPC

46

Count

結果② BGO
0.662MeV
エネルギー分解能 : 7.1%

減衰時間Integral 𝟏𝟎−𝟏𝟑 𝑪

500

1000

減衰時間 約960ns
光電ピーク値 96.4pC

47

Count

結果② FastLGSOの場合
0.662MeV
エネルギー分解能 : 10.6%

Integral 𝟏𝟎−𝟏𝟑 𝑪

1000

2000

3000

減衰時間 約400ns
光電ピーク値 219.4pC

48

結果② 電荷量から光子数の比較

電荷量(pC)

LED点灯

BGO

FastLGSO

5.796.4

219.4
0.662keVのγ線光子数(平均値)

27.5

465.1

1058

• 6.0mm角MPPCの入射フォトン数
BGO→ 703 入射フォトン数/MeV
FastLGSO →1598 入射フォトン数/MeV• 全ピクセル数(14400個)に対して入射フォトン数(700~1600個)は一桁少ない（同一ピクセルへの複数フォトン入射の影響は心配しなくてもよいだろう）。
49

目次
1. 研究背景2. 研究目的
3. 実験①、実験②
4. まとめ50

まとめ
1. Clock Generator(幅6ns、周波数10Hz)のパルス信号
によるLED点灯→入射フォトン数(平均) 1.3mm角 1.43個
6.0mm角 27.46個
2. 6.0mm角MPPCの入射フォトン数
BGO~700 フォトン/MeV
FastLGSO ~1600 フォトン/MeV
3. APDなど他の光検出器を使用する場合の基礎データを得た

51

メモ

52

電磁シャワー

電磁シャワーとは高エネルギーの電子やガンマ線が物質に入射し、対生成と制動放射が連鎖的に起こる反応

引用元:SuperKEKB_Pamphlet_ver4.pdf

53光半導体について

半導体内部に強い電場購買を作ることでアバランシェ(電子雪崩)を形成し、信号を増幅させる機能を持つ半導体素子

光半導体とは

PIN-PD①光の入射②電子正孔対が生じた後、電極側へそれぞれ移動する

APD①光の入射②電子正孔対が生じた後、電極側へそれぞれ移動する③ｐ型半導体の領域で電子雪崩が起きる54

ガイガーモードとプロポーショナルモード
プロポーショナルモード

ガイガーモード

電子雪崩が局所的に形成される

電子雪崩が全面に広がる(局所的ではない)
V=+HV

R

I(t)

電圧降下が起き、
V-R I(t) 電子雪崩が起きない
電圧まで下がる(次にカウントをするため)キャリアが動くと電流が流れる55

アフターパルス➢アフターパルスとは

23

1.

信号パルスの形成が起こる＝ピクセル内で電子雪崩の生成が起こる

2.

通常の加速される電子は＋極へ移動し、電気的に中和するするために陽極の裏側の電子が抜けるので、この電流が信号パルスになる

3.

他の電子同様に加速して電極間を移動するはずだったが、固体内の格子欠陥により陽極にすぐに移動できずに、引っかかる電子がいる

4.

引っかかった電子が遅れて走り、陽極へ到着して信号を与える

456

クロストーク➢クロストークとは

１
2 ３

1.

信号パルスの形成が起こる＝ピクセル内で電子雪崩を形成する

2.

1によりその付近の電子を励起する

3.

励起状態の電子が自由電子または束縛の緩い電子を吸収することで励起状態から抜け出す

4.

3の結果、エネルギーの差分に対応する光子を放出する

5.

4の二次的な光子が別のピクセルで光電効果を起こす4557

結果① 波形の様子(1.3mm角)<幅14, 12, 10, 9ns>

14ns

12ns

10ns

9ns58

実験結果②-1 波形の様子(1.3mm角)<幅8, 7, 6, 5ns>

8ns

7ns
12ns

6ns

5ns
9ns

59

実験結果②-1 波形の様子(1.3mm角)
オシロスコープを観測するだけでは、電圧の波高の変化が見られないため、光子数推定は難しい
12ns
14ns

12ns

10ns

8ns

7ns

6ns

9ns

9ns

5ns

60

実験結果②-1<幅

信号電荷分布の様子(1.3mm角)

14, 12, 10, 9ns>

61

実験結果②-1<幅

信号電荷分布で見た様子(1.3mm角)

8, 7, 6, 5ns>

62