[論文レビュー] Novel Multi-pixel Silicon Photon Detectors and Applications in T2K

Dmitriy Beznosko|ArXiv.org|Oct 23, 2009

Radiation Detection and Scintillator Technologies参考文献 5被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、T2Kニュートリノ実験のP0Dサブディテクタで、マルチピクセルシリコンフォトニックデテクタ（MPPC）の成功裏の導入と特性評価を報告している。強磁場下でも信頼性と安定性を示した。MPPCは、受動的クエンチングを伴うゲーリングモードで動作し、一貫した増幅、低雑音、安定した光子検出効率を示し、平均して約20 PE/MeVの応答を示すシンチレーティングバーからの高精度な光読み出しを可能にした。

ABSTRACT

Nowadays, numerous fields such as High Energy Physics (HEP), medical imaging devices, portable radiation detectors etc., require a robust, miniature, reliable and readily available photon detector that is stable in a variety of environments, such as the presence of strong magnetic fields. The recently available $\sim$1mm$^{ extrm{2}}$ active area Multi-pixel Photon Counter (MPPC) sensors, produced by Hamamatsu Photonics, have been found to be reliable and an attractive choice for the HEP applications. The following sensor characteristics have been thoroughly tested by T2K collaboration: gain, dark noise, detection efficiency, reliability. These appear to be stable; in addition, the characteristic spread between numerous devices was assessed. Sensors with larger area are being developed for imaging and direct-to-scintillator coupling purposes.

研究の動機と目的

• 強磁場下で高エネルギー物理学応用に向けた新規1mm² MPPCセンサの性能を評価すること。
• 磁場による劣化を示す従来のPMトランスデバイスに代わる、コンactで耐久性がありコスト効率の良い代替手段を提供すること。
• T2K ND280のオフアクシスディテクタ、特にπ⁰検出用のP0DサブディテクタにおけるMPPC動作の妥当性を検証すること。
• 実世界のHEP実験に応用された約11,000個のMPPCセンサにおける長期的安定性と均一性を評価すること。
• MPPCの医療画像、放射線検出、セキュリティシステムへの応用可能性を検討すること。

提案手法

• MPPCは、校正済みの光源と放射性核種を用いて0.2Tの磁場環境下でテストされ、実際の検出器条件下での性能を評価した。
• 増幅、雑音、光子検出効率（PDE）、およびアフターパルスといった主要パラメータをバイアス電圧および温度の関数として測定した。
• 100xのコンダクタンス増幅器を用いて単一光電子（PE）パルスの振幅を測定し、正確な増幅およびPDEキャリブレーションを可能にした。
• MPPC出力はADCスペクトルおよびディスクリミネータのしきい値を用いて分析され、クロストークおよび雑音率を定量化した。
• 宇宙線ミューオン検出を用いたイン・サイト検証を含め、設置前・設置中・設置後のセンサの特性評価が行われた。
• 他のMPPCモデルおよびメーカーとの比較テストが実施され、照射（1 MRad）および9Tの磁場暴露も含めた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HEP実験に典型的な強磁場下でも、MPPCは安定した増幅、低雑音、一貫したPDEを維持できるか？
• RQ2 実際の検出器環境下で、バイアス電圧および温度の変化に伴うMPPCの性能（特に増幅、PDE、雑音）はどのように変化するか？
• RQ3 高精度物理学検出器に応用された大規模な約11,000ユニットのMPPCセンサにおける均一性と信頼性はどの程度か？
• RQ4 クロストークおよびアフターパルスは、MPPCベースの光検出システムにおける信号の線形性とエネルギー分解能にどの程度影響を及ぼすか？
• RQ5 MPPCは、T2KのP0Dのような高精度ニュートリノ検出器で、長期的安定性と低故障率という点で従来のPMトランスデバイスに置き換え可能か？

主な発見

• MPPCは、バイアス電圧および温度の範囲で安定した増幅およびPDEを示し、破壊電圧の温度係数は50 mV/°Cであった。
• 雑音は低く、予測可能であり、約11,000個のセンサにおける動作電圧のばらつきが小さく、均一性が高いことを示した。
• シンチレーティングバーに付加されたエネルギー1MeVあたりの平均光電子（PE）出力は約20 PE/MeVと測定され、高い光集光効率を確認した。
• クロストークおよびアフターパルスは、顕著なPDEの上昇を引き起こしたが、その影響はシステムのダイナミックレンジ内で定量化され、管理可能であることが判明した。
• 0.2Tの磁場下でもMPPCは信頼性高く動作し、強い角度依存性とクロストークを示す従来のPMトランスデバイスを上回った。
• 設置後のテストでは、初期に14個のセンサに欠陏が認められ、4つが後日交換されたが、全体として長期的安定性が極めて高いことが確認された。