RD of MPPC the basic performance of MPPC

【 R&D of MPPC 】 the basic performance of MPPC, and the plastic packages S. Gomi, T. Nakaya, M. Yokoyama, M. Taguchi, (Kyoto University) T. Nakadaira, K. Yoshimura, (KEK) for KEK-DTP photon sensor group Dec. 12. 2006 Colloquium 1

Contents • Introduction • Improvement of performance – – – GAIN noise rate Cross-talk rate Photon Detection Efficiency ( PDE ) Linearity LASER test • Connection with fiber – Screw type – Cap type 2

【 Introduction 】 3

ガイガーモードAPDとクエンチング抵抗 Vbias ( ＞ Vbd ) photon I Liner Geiger -mode quenching resistor quenching ON discharge Geiger-mode APD OFF Vbd charge Vbias V ×ピクセル数 (100, 400, 1600…) 6

【 Improvement of performance 】 • gain • noise rate • cross-talk rate • Photon Detection Efficiency ( PDE ) • Linearity 10

Gain 100 pixel Gain 400 pixel 3× 10^6 5× 10^5 0. 2 DV 1 1. 6 0. 8 1 • ゲインはDVのみの関数である。 2 青 : 15℃ 緑 : 20℃ 赤 : 25℃ 2. 4 DV 13

青 : 15℃ 緑 : 20℃ 赤 : 25℃ Noise rate [ MHz ] 100 pixel Noise rate [ k. Hz ] 400 pixel 400 k. Hz 500 k. Hz 1 p. e noise 1 p. e 2 p. e noise 2 p. e 100 k. Hz 69. 1 69. 5 70 69. 2 Bias voltage [V] • 1 p. e ノイズは、約100~400 k. Hz. • 2 p. e ノイズは、約 0~200 k. Hz. 70 70. 4 Bias voltage [V] 15

improvement of gain Gain 100 pixel 06. Oct 横軸=ノイズレート Gain 400 pixel 06. Oct 06. Jan 10^6 ノイズ [MHz] 0. 5 1 10^6 06. Jan 05. Apr 0 20℃ 05. Apr 1. 5 0 青 緑 赤 ( 桃色 ) 0. 5 1 ノイズ [MHz] • 時系列にしたがって、その性能が高まっていっている。 18

青 : 15℃ 緑 : 20℃ 赤 : 25℃ Cross-talk rate 100 pixel Cross-talk rate 400 pixel 50% 10% 69 69. 5 69. 8 Bias voltage [V] 10% 69. 6 70 70. 6 Bias voltage [V] • HPK推奨電圧でのクロストークの値は、20℃ の時で約20%。 21

Cross-talk rate 100 pixel Cross-talk rate 400 pixel 50% 10% 0. 2 DV 1 1. 6 10% 0. 8 1 • Cross-talkは、DVのみの関数である。 2 2. 4 DV 青 : 15℃ 緑 : 20℃ 赤 : 2522℃

青 : 15℃ 緑 : 20℃ 赤 : 25℃ relative PDE Relative PDE 100 pixel Relative PDE 400 pixel 3 2 2 1 1 69 69. 5 69. 8 Bias voltage [V] 69. 6 70 70. 6 Bias voltage [V] • MPPCは、PMTに比べ 2~3倍高いPDEを 持っている。 26

relative PDE Relative PDE 100 pixel Relative PDE 400 pixel 3 2 2 1 1 0. 2 DV 1 1. 6 0. 8 1 • PDEは、ΔVの関数である。 2 青 緑 赤 : 15℃ : 20℃ : 25℃ 2. 4 DV 27

Summary of improvement • 今までのMPPCサンプルの持つ性能を、100ピクセル･ 400ピクセル、各々について時系列に従って並べてみる。 (20℃) 100 pixel 400 pixel ΔV [V] ノイズ [MHz] ゲイン × 10^5 クロス トーク PDE (PMT) 型番 時期 21 -53 -1 A 05. Apr 0. 6~1. 2 0. 2~0. 8 8~30 0~40 0. 4~1. 3 311 -53 -1 A-002 06. Jan 1. 2~2. 0 0. 4~0. 9 17~29 13~33 1. 2~1. 7 T 2 K-11 -100 C 06. Oct 0. 6~1. 4 0. 1~0. 3 13~30 11~51 1. 0~2. 2 T 2 K-11 -100 U-m 06. Oct 0. 6~1. 2 0. 1~0. 3 13~26 8~36 1. 2~2. 6 1 -32 05. Apr 6. 0~7. 0 0. 1~1. 2 6~7 7~36 0. 1~0. 7 311 -32 A-002 06. Jun 1. 1~1. 9 0. 6~1. 2 6~10 7~23 1. 1~1. 9 T 2 K-11 -050 C 06. Oct 1. 1~1. 9 0. 1~0. 3 6~11 12~42 1. 4~2. 1 29

Linearity 400 pixel linear 25% 青 : DATA plot 緑 : expectation Fired pixel [ % ] Linearity 100 pixel Injected photoelectron per pixel linear 25% 青 : DATA plot 緑 : expectation Injected photoelectron per pixel • 緑色の線は、ピクセル数から計算した理論値を表している MPPC は以下の領域では線形に動作する。 ~25 p. e 100 pixel ~100 p. e 400 pixel 31

Summary • 新しいMPPCは十分に高い性能を有している。 (クロストークをもう少し減らせないだろうか) 100 pixel 400 pixel Gain Noise rate(1 p. e) [ k. Hz ] Cross-talk rate PDE Uniformity within 1 pixel of each pixel Uniform(2~3%) 35

【 Connection with fiber 】 • Test connector prototype – screw model : type 1, and 2 • Planning about cap model 36

【 Supplements 】 45

Gain of MPPC : 横軸=ΔV cross-talk rate of MPPC : 横軸=ΔV 46

PDE of MPPC : 横軸=ΔV VBD [V] 25 degree 100 pixel 68. 80 400 pixel 68. 83 20 degree 68. 52 68. 51 15 degree 68. 25 68. 20 VBDの 温度依存性 47

efficiency Uniformity within 1 pixel 400 pixel Cross talk rate RMS/mean=1. 7% GAIN 0. 25 RMS/mean=1. 6% 48

efficiency Uniformity of each pixel 400 pixel RMS/mean=3. 4% Cross talk rate GAIN 0. 18 RMS/mean=2. 9% 49

Type 1 Fiber housing Ceramic package housing Top View 3 mm 8 mm Side View 10 mm 1 mm 6 mm (pitch = 1 mm) 51

Type 2 Fixture Fiber housing Ceramic package housing 3 8 5 8 10 5. 1 6 ( pitch 1 mm ) [ mm ] 52

Rough Draft - blueprint - 54