2010/3/10

APDによるカロリメーターのタ
エネルギー分解能向上
福井大工
井上博貴、吉田拓生、小森亮太、川口達紀、北村真吾、本田喜徳

カロリメーター
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
素粒子実験に用いられる
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

鉛や鉄などの重い物体とプラスチックシンチレー
ターのサンドイッチ構造
鉛板（カスケードシャワーを発達させる）
鉛板（カスケドシャワ を発達させる）
プラスチック・シンレーター（荷電粒子が通ると発光する）

入射粒子のエネルギーが高いと 、 シャワー中の粒子数が増え 、シンチレーターの発光量が増える。
↓
シンチレーターの発光量が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
それぞれのタイルに、波長変換材（WLS）でできた光ファイバーを埋め込んで、光を外に引き出し、受光素子に導く。
アバランシェ・フォトダイオード（APD）

WLSファイバー

浜松 S8664‐55、受光面 5×5mm2

光電子増倍管（PMT）
浜松 H3178‐61φ
受光面 38mmφ

入射粒子

鉛板
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）

エネルギー測定精度を向上させるためには
タイル、ファイバー ：発光量が多いこと
受光素子：その光を効率よく検出し、光量を精度よく測定すること（高い量子効率、大きなS/N比、…）

受光素子
・光電子増倍管（PMT)・ノイズが小さい・量子効率が低い ～25％
（量子効率とは光電効果で光子が電子をたたき出す確率）
・管のサイズが大きい ～数cm
・磁場の影響を受けやすい・アバランシュフォトダイオード（APD)

３８ｍｍ

光電子増倍管（PMT）

５ｍｍ

・量子効率が大きい ～90％
・素子のサイズが小さい
素子のサイズが小さい ～1 mm
・磁場の影響を受けない・ノイズが大きい
アバランシェ・フォトダイオード（APD）

アバランシュフォトダイオードを使用することでカロリメーターの分解能向上が見込める2

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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

APD(S8664-55)の量子効率

シンチ・タイル
BC-412発光スペクトル

量子効
効率 (%)

量子効
効率 (%)

使用したシンチレーティングタイル： BICRON社のBC‐408とBC‐412
WLSファイバー： KURARAY 社のY‐8とY‐11
APD(S8664-55)の量子効率

シンチ・タイル
BC-408発光スペクトル

WLS-Fiber
Y-8発光スペクトル

WLS-Fiber
Y-11発光スペクトルGreen Extended PMTの量子効率

Green Extended PMTの量子効率

波長(nm)

波長(nm)
WLS‐Fiber
Y‐8吸収スペクトル

WLS-Fiber
Y-11吸収スペクトル

シンチレーティングタイルとWLSファイバーの選定
WLS‐Fiber
Y‐8 or Y‐11（1mmφ）
2回巻き
端面に反射板MIP（宇宙線μ粒子）

トリガーカウンター

アバランシェ・フォトダイオード（APD）

荷電粒子１本あたりの平均光電子数

平均光電子数120

シンチレーティングタイル
BC408 or BC412
100mm×100mm×4mm

WLSファイバーの種類
シンチレーティン
グタイルの種類

100806040200Y‐8BC‐408

Y‐11Y‐8Y‐11BC‐4123

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シンチレーティングタイル用反射材の選定
MIP（宇宙線μ粒子）
WLSファイバー

シンチレーティングタイル

発光

今回使用した反射材は東レ社の白色ポリエステルフィルム、ルミラー
E60LとE6SLである。これらは高い反射率を持つ。E6SLはE60Lを改良し反射率を高めたものである反射率を高めたものである。
タイル用反射材と平均光電子数
PMTによる計測

シンチレーション光反射材

29.5
27.5
平均 25.5
光 23.5
電 21.5子 19.5
数 17.515.5
反射率

反射材とタイル

E60L
97％

E6SL
100％

電磁カロリメーター（雛型）
シミュレーションによる構造設計：電磁シャワーの90％以上を吸収できるように設計
21層, 231mm

鉛版とプラスチックシンチレーターを交互に配置した雛型カロリメ タを交互に配置した雛型カロリメーターを使用した

3 GeV/c 電子
電120mm

120mm

カロリメーター隙間1.7mm
プラスチックシンチレーター

鉛板

プラスチックシンチレーター

鉛板
11mm

4.5mm厚の鉛板

4mm厚プラスチックシンチレーターの各面に、0.2mm厚PETフィルム1層と0.2mm厚ビニールテープ1層

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シンチレーティングタイル・ファイバーの発光の測定
カロリメーターの最小単位となるMIPのエネルギー分解能の測定を行った
MIP（宇宙線μ粒子）
WLSファイバー
2回巻き
端面に反射板

受光素子：光信号→電気信号に変換する
アバランシェフォトダイオード
（APD）
プリアンプ

ADCで読み取る＋Super
SupeLayer1

光電子増倍管（PMT）

SuperLayer
2

鉛板

タイル7枚を1組のSuper Layerとして、SuperLayerごとの光量を受光素子で読み取った

Number of event

SuperLayer
3

ADCで読み取った信号の波高分布の例

ADC channel＝電気信号の大きさ

光電子数の測定結果

荷電粒子１本あたりの平均光電子数

平均光電子数Npe竝廓辱恠

600

浦犯剕恠
平均出力信号

FN pe
N pe

FN pe

F 過剰雑音係数（増倍率のゆらぎ）
F：過剰雑音係数（増倍率のゆらぎ）

400
PMT200APD

0Super Layer 1

PMTよりも、APDを用いた方が約４倍たくさん光電子が得られる。

過剰雑音係数は受光素子によって異なり
今回の実験の場合
光電子増倍管：F＝1.2↓1.8倍
APD:F＝2.2
APDは過剰雑音係数が大きいがそれ以上に多くの信号を得られるためエネルギー測定精度を向上させるためには、APDが有利

5

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Numberr of events

測定結果（エネルギー分解能の比較）

平均値

今回はSuper Layer１のヒストグラムを比較したエネルギー分解能 

黒線はシミュレーション（μ粒子がシンチレーティングタイルに落とすエネルギー量ィ グタ
落 すギをシミュレートした）による理想的波高分布

半値幅

分解能＝20.1％
シンチレーションタイル：BC‐412
タイル用反射材：E60L
受光素子：光電子増倍管（PMT)ADC channel

Number of eventts

半値幅 ( FWHM）
×100
平均値

平均値

分解能＝31 0％
分解能＝31.0％
シンチレーションタイル：BC‐408
タイル用反射材：E6SL
受光素子：アバランシュフォトダイオー
ド（APD）

半値幅

分解能＝24.5％
ADC channel

測定結果（受光素子、タイル、反射材と光電子数、分解能）

受光素子

シンチレーティ
ングタイルと 光電子数 分解能（％）
反射材
BC412
128
31.0
E60L

光電子増倍管（PMT） BC408
E6SL
BC412
E60L

アバランシュバ
フォトダイオーBC408
ド（APD）
E6SL

183

30.1

511.6

28.2

729.0

24.5シミュレーションによる理想的な波高分布の分解能： 20.1％

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結論・シンチレーションタイルをより発光量の多いものに換え、反射材をより反射率の高いものを使い、PMTをAPDに換えることでエネルギ 分解能を向上できをAPDに換えることでエネルギー分解能を向上できた
今後の課題

・APDは冷却することでノイズが減る、これにより分解能の向上が期待できるので、APDを冷却した場合の信号の測定を行う

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素粒子実験におけるカロリメーター
カロリメーター

素粒子実験ではカロリメーターは大量に必要になる。左の図の赤い部分がカロリメーターである。この装置では一辺が約１０ｍある。
一般的な電磁カロリメーターを想定するとシンチレーティングタイルは約１４万枚必要になる。

１０メートル

微弱光検出用受光素子１ー 光電子増倍管 ーダイノード

アノード電子

光子
受 光面

信号

光電子増倍管（PMT）
浜松 H3178‐61
受光面 38mmφ

光電効果で電子をたたき出す

電子を増倍

長所：
二次電子の増倍率が高い
次電子の増倍率が高い ～100万倍
00万倍
ノイズが小さい短所：
量子効率（光電効果で光子が電子をたたき出す確率）が低い ～25％
管のサイズが大きい ～数cm
磁場中で著しく性能が低下

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微弱光検出用受光素子２ー アバランシェ・フォトダイオード（APD） ー
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

正電圧（逆バイアス電圧）
電子

光子

ホール

信号アンプ

p型

アレイ型、Sci‐Fi 用特別仕様

n型

空乏層

長所：
量子効率（光電効果で光子が電子をたたき出す確率）が大きい ～90％
素子のサイズが小さい ～1 mm
磁場中でもOK
短所：
二次電子の増倍率が低い ～100倍＠室温（低温では大きくなる）ノイズが大きい

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

p型

n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

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MIP(minimum ionizing particle)＝最小電離粒子
荷電粒子が物質中を通過するとき、エネルギー損失が最小 なる ネ ギ が存在する損失が最小になるエネルギーが存在する。このようなエネルギー状態の粒子を、その粒子によらず最小電離粒子と呼ぶ。
今回の実験では、高い貫通力を持ち約4GeVのエネルギーを持つ宇宙線μ粒子を、このMIPとみなして μ粒子がカロリメーターを貫通した際のシなして、μ粒子がカロリメ
タ を貫通した際のシンチレーションタイルの発光を受光素子によって測定した。

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：
測定精度

E



 stochastic
E (GeV)  const 23%
 1%E (GeV)

入射粒子のエネルギー

 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%10

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受光素子による影響  photostat E (GeV) の項 

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
Gain M の受光素子で増幅

平均出力信号  ゆらぎ  M N p Q  M N p Q Fσ photostat
E (GeV )

ゆらぎ
平均出力信号F
Np 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=1.24.0倍

1.8倍

APD：Q=0.8、 F=M 0.2 = 2.2 @M=5011