2010/3/10

APDによるカロリメーターのAPDによるカロリメ
タ のエネルギー分解能向上
福井大工
福井大今井大輔、吉田拓生※APD～アバランシェフォトダイオード

Introduction

カロリメーター：粒子のエネルギー測定、粒子の種類の識別サンプリングカロリメーター：
鉛や鉄などの重い物体中で発生するカスケードシャワーを利用する
電磁シャワー（電子とγ線のみ）

ハドロンシャワー
（主に中間子、電子、γ線）

電子、γ線
ハドロン

電磁カロリメーター
鉛とプラスチックシンレーターのサンドイッチ構造

ハドロンカロリメーター
鉄または鉛とプラスチックシンチレーターのサンドイッチ構造

入射粒子のエネルギーを全て吸収し、その内の一部（シンチレーター中での電離損失分＝シンチレーターの発光量）を測定
入射粒子のエネルギーに比例1

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シンチレーティングタイル・ファイバー型カロリメーター
タイルに波長変換材（WLS）でできた光ファイバーを埋め込んで、光を外に引き出す
シンチレーティングタイル

WLSファイバー

鉛
入射粒子

受光素子

プラスチックシンチレーターのタイル（シンチレーティングタイル）
区分けされたタイルの光を別々に読み出す必要あり。

光電子増倍管

APD

浜松 H3178-61(Green Extended PMT)

浜松 S8664-55

光電子増倍管とAPDの比較検証をする

Plastic Scintillator
BICRON
BC-412量子子効率 (%)

シンチレーティングタイル、WLSファイバーの吸収/発光スペクトルWLS Fiber
Kuraray Co.,Ltd
Y-11

APD(S8664-55)の量子効率

シンチ・タイル
BC-412発光スペクトル

WLS-Fiber
Y-11発光スペクトル

core(PS) n=1.59
inner cladding(PMMA) n=1.49

Green Extended PMTの量子効率

outer cladding(FP) n=1.42

1.0

波長(nm)

単位 mm

WLS-Fiber
Y-11吸収スペクトル2

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APDによるシンチレーティングタイル・ファイバーの読み出し
MIP（宇宙線μ粒子）

WLS-Fiber
クラレY-11 （1mmφ）
回巻き()、2回巻き(4mm)、1回巻き(2mm)、端面に反射板

APDホルダー（銅）バイアス電圧
プリアンプ(HIC-1576)(Charge gain
真空容器30mV/fC)
APD
ADC

トリガーカウンター

LN2

温度調整ヒーター

デュワー管（液体窒素）
シンチレーティングタイルBC-412、200mm×200mm×4mm
200mm×200mm×2mm（白色ポリエステルフィルムで包む）
Si APD S8664-55
受光面：5×5mm

受光素子による影響
Q：量子効率

平均光電子数 N pe  ゆらぎ  平均入射光子数 N p  Q  N p Q
G i M の受光素子で増幅
Gain

平均出力信号  ゆらぎ  M N p Q  M N p Q F

エネルギー分解能σゆらぎ
E 平均出力信号

FNp Q

F：過剰雑音係数（Excess Noise Factor）
Gain M 自体のゆらぎ

光電子増倍管：Q=0.2、 F=1.2
4.0倍2倍3倍

APD：Q=0.8、 F=M 0.2 = 2.4 @M=80、 3.6 @M=600

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測定• -80℃• 2000events

シンチレーティングタイル4mm厚

APD_BIAS ～ 356.2V
光電子増倍率 M ～ 632
平均光電子数 Npe=NpQ～74個

ゆらぎ平均出力信号F
Np Q

過剰雑音係数F 3 15F～3.15

MIPの信号
Pedestal = ノイズ分布（ショットノイズ、プリアンプノイズ）

APDでもＭＩＰの信号を測定できる

F 過剰雑雑音係数

過剰雑音係数ゆらぎ
平均出力信号

64F
Np Q

(%)

量子効率
•APD：80%

225℃
-30℃
-80℃
F

カタログ値
F=M0.200200

400600•過剰雑音係数Fはカタログ値とほぼ一致していることが分かる

800
Gain42010/3/10

エネルギー分解能の比較

エネルギー分解能  (信号の揺らぎ）
E (平均出力信号)

シンチレーティングタイル2mm厚

APD
HAMAMATSU PHOTONICS
Si APD S8664-55

APDの温度 -30℃
2000 Events
バイアスVB ~ 391.3V
Gain M ~ 286.3
平均光電子数 ~ 31個

25 %
光電子増倍管

室温(25℃)

2000 Events

HAMAMATSU PHOTONICS
Green Eteded PMT
H3178-61

バイアスVB ~ 1700V
平均光電子数 ~8個

30 %

結論
•APDでもMIPの信号を測定できる•APDによるカロリメーターのエネルギー分解能向上を図ることができる
今後の課題

カロリメーターの雛形を作製し、APDによる読み出し実験

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温度キャリブレーション

Number of Events

予備スライド-80℃

ADC Channel

APDの温度依存度
APD TEMP (℃)

温度依存度は
2.9 %/℃
温度依存度×APD TEMP σ

0.06 %Y= -6.5X - 295
APD TEMP (℃)

6信号の温度変化
シンチレーティングタイル2mm厚

Number of Events

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APDの温度 +25℃
バイアスVB = 421.0V
Gain M = 140.4

-30℃

信号

バイアスVB = 391.3V
Gain M = 286.3

しきい値
ノイズ
（ショットノイズ、プリアンプノイズ）
80℃-80℃
バイアスVB = 357.7V
Gain M = 564.0

冷やすことで信号が大きくなりノイズのブレ幅が小さくなった。
冷却によりS/N比が良くなっている。

S/N比

S/N 比

プリアンプ出力波高(mv)

Scintillator 2mm

Scintillator 4mm

Gain (M)72010/3/10

APDの長所・短所

長所：
量子効率（光電効果で電子をたたき出す確率）が大きい ～90％
受光面が小さく（ 1～5mm）、コンパクト磁場中でもOK応答が速い（～1ns）

短所：二次電子の増倍率(Gain)が低く（～数百倍）S/Nがよくない。
（PMTの増倍率は100万倍）

これで測定は可能なのか！

APDの動作原理と特徴
p層

空乏層

n層

光電効果で電子をたたき出す

アバランシェ
領域で電子を増殖

受 光面

伝導帯
入射光子

バンドギャップ

正電圧（逆バイアス電圧）
電子光子

Eg

ホールアンプ

価電子帯

n型

p型
空乏層

信号

空乏層に可視光が入射すると相互作用により電子-ホール対が発生します。
電子-ホール対が発生
電子が高電界で加速され格子原子に衝突
電子-ホール対が新たに発生

8

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カロリメーターシミュレーション
Scintillator / dE (MeV)

Pb 8 mm Scintillator 2mm

50GeV

1000events

Layer Number
ハドロンカロリメーター

電磁カロリメーター

この部分をまとめて読み出す

APDのカロリメーターへの応用
カロリメーターのエネルギー分解能
T. Suzuki et al., NIM A432 (1999) 48より8mm厚鉛＋2mm厚シンチレーティング・タイルで電磁シャワーに対して：
電磁シャワに対して：E stochastic
E (GeV)  const 23%
 1%E (GeV) A  B  A2  B 2  stochastic   int   sample   photostat
受光素子の光電子数のゆらぎ～11%
サンプリングのゆらぎ～21%
シャワー自体のゆらぎ、EMの場合～0%92010/3/10

APDのカロリメーターへの応用
カロリメーターのエネルギー分解能
T. Suzuki et al., NIM A432 (1999) 48より8mm厚鉛＋2mm厚シンチレーティング・タイルでハドロンシャワーに対して：ハドロンシャワに対して：E stochastic
E (GeV)  const 40%
 1%E (GeV) A  B  A2  B 2  stochastic   int   sample   photostat
受光素子の光電子数のゆらぎ～11%
サンプリングのゆらぎ～30%
シャワー自体のゆらぎ、EMの場合～24%10