[論文レビュー] Study of Micro Pixel Photon Counters for a high granularity scintillator-based hadron calorimeter

N. d’Ascenzo, A. Eggemann+1 more|ArXiv.org|Nov 8, 2007

Radiation Detection and Scintillator Technologies参考文献 3被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、国際線形加速器（ILC）の高分解能シンチレーションベースのハドロン・カルォリメータにおける直接読み出しに、マイクロピクセルフォトンカウンタ（MPPC）を評価する。MPPCは、最小電離粒子（mip）あたり6–7光電子の信号収集効率97％で青色シンチレーション光を効率的に検出可能であり、従来の波長シフトファイバー結合方式に比べ、ダイナミックレンジおよび効率性で優れている。これにより、現在のSiPMベースの設計に代わる、簡素化された代替手段としての実現可能性が示された。

ABSTRACT

A new Geiger mode avalanche photodiode, the Micro Pixel Photon Counter (MPPC), was recently released by Hamamatsu. It has a high photo-detection efficiency in the 420 nm spectral region. This product can represent an elegant candidate for the design of a high granularity scintillator based hadron calorimeter for the International Linear Collider. In fact, the direct readout of the blue scintillation photons with a MPPC is a feasible techological solution. The readout of a plastic scintillator by a MPPC, both mediated by the traditional wavelength shifting fiber, and directly coupled, has been systematically studied.

研究の動機と目的

• 新世代MPPCを用いた高分解能ハドロン・カルォリメータにおける青発光シンチレーターの直接読み出しの可能性を評価すること。
• プラスチックシンチレーターにおける直接MPPC結合と従来の緑色波長シフトファイバーを介した読み出しの性能を比較すること。
• ILC水準の要件を満たすために、さまざまなオーバーバイアス条件下でのMPPCの信号収集効率、ダークノイズ、ダイナミックレンジを特定すること。
• CALICE HCALプロトタイプにおける現在のSiPMの代替として、MPPCが性能向上と幾何学的簡素化を実現できるかを評価すること。
• ピクセル数（400対1600）がMPPCベースのカルォリメータ読み出しにおける信号の線形性、一様性、ダイナミックレンジに与える影響を調査すること。

提案手法

• 3×3×0.5 cm³のプラスチックシンチレーター・タイルを、光学結合剤を用いず、1600または400ピクセルのMPPCに直接結合し、3％以内の再現性のある接触を確保した。
• 2番目の構成では、シンチレーター内に埋め込んだ緑色波長シフトファイバー（Y11(200)）を用い、光をMPPCに結合させ、現在のCALICEプロトタイプを模倣した。
• MPPCの最小電離粒子（mip）に対する応答は、¹⁰⁶Ru β線源を用い、80 nsの一致ゲート内で信号を増幅・積分したQDCにより測定した。
• 光電子生成量の最も確率の高い値（MPV）は、MPPCパルス振幅スペクトルを多ガウス関数でフィッティングし、ピーク面積を分析することで抽出した。
• しきい値はピエドストレベルのノイズに基づき定義され、そのしきい値を超えるmip信号の割合を測定することで、信号収集効率を計算した。
• ダークレート、クロスタッチ、ゲインは、さまざまなオーバーバイアス（ブレークダウン電圧より2.5–3.5 V上）で測定され、ILCの占有率制約下でのノイズ性能を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MPPCは、プラスチックシンチレーターからの青色シンチレーション光を、ILCハドロン・カルォリメータに必要な十分な効率と信号対ノイズ比で直接検出可能か？
• RQ2 直接結合と波長シフトファイバーを介した読み出しの間で、MPPCの信号収集効率に差はあるか？
• RQ3 ILCトリガー要件を満たすために、高い信号収集効率と低いダークノイズを両立させる最適なオーバーバイアスは何か？
• RQ4 ピクセル数（400対1600）は、MPPCベースのカルォリメータ読み出しにおけるダイナミックレンジおよび線形性にどのように影響するか？
• RQ5 MPPCは、特にダイナミックレンジと信号一様性において、現在のCALICE HCALプロトタイプにおけるSiPMと同等以上に性能を発揮できるか？

主な発見

• 1600ピクセルMPPCは、ブレークダウン電圧より2.5–3.5 Vのオーバーバイアスで、97％の信号収集効率を達成し、最小電離粒子（mip）あたり6–7光電子の最も確率の高い値を示した。
• 400ピクセルMPPCは98％の信号収集効率を示したが、ピクセル数が少ないためダイナミックレンジが制限され、高強度環境での使用が制限された。
• 0.5ピクセルしきい値におけるダークレートは、1600ピクセルで40 kHz、400ピクセルで230 kHzであり、それぞれクロスタッチは4.3％および3.5％であった。両者とも、2–4ピクセル以上のしきい値で運用すれば、ILCの占有率のしきい値を下回った。
• シンチレーターへのMPPCの直接結合により、97％の信号収集効率が達成され、ファイバー結合方式と同等の性能を示したが、ピクセル数が多いためより広いダイナミックレンジを有した。
• 直接結合およびファイバーを介した読み出しの両方において、MPPCの性能は、信号効率（98％）およびダイナミックレンジにおいて、現在のSiPMを上回り、特に高いオーバーバイアスで顕著であった。
• 本研究は、MPPCが高分解能カルォリメータにおいてSiPMの代替として実現可能であり、性能向上とシステム複雑性の低減が期待できると確認した。