タウ物理のための検出器 r&d
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2004/3/9 科研費特定領域 第二回研究会
タウ物理のための検出器 R&D
-Contents-
•Introduction
•光検出器 -MCP-PMT
- 角型マルチアノード MCP-PMT
•まとめ
名古屋大学 N 研M 1 冨田 光俊
2004/3/9 科研費特定領域 第二回研究会
Belle 実験用 π/K 粒子識別装置 光のチェレンコフ 水平放出角と伝播時
間から を再構成して粒リングイメージ子識別を行う
コンパクトかつシンプル- 合成石英 ( 発光媒体 )- 光検出器
新型リングイメージ型 /K 粒子識別装置 ・・・ Bar-TOP counter
位置・伝播時間の測定 光検出器
L=1000, W=200, T=20(mm)
Introduction
2004/3/9 科研費特定領域 第二回研究会
1. 1光子検出可能
2. 1光子での時間分解能 σ< 50ps
3. 磁場中で使用可能 (B=1.5T)
4. 収集効率 ≧ 50 %
5. 位置分解能 ~ 5 mm全ての要求を満たす光検出器はまだ存在しない
MCP-PMT
光検出器• 光検出器に要求される性能
2004/3/9 科研費特定領域 第二回研究会
Micro Channel Plate(MCP)-PMTMCP
MCP-PMTの構造
2 次電子増幅過程MCP-PMTの特徴
直径数 μm ~数十 μm の細いガラスパイプチャン ネルを多数束ねた板状構造
各ガラスパイプが独立した 2 次電子増倍部
MCP の両端に印加された電圧で電子が加速され MCP に衝突し、 2 次電子を放出
MCP(マイクロチャンネルプレート )
1. 高 Gain (MCP2 枚で 105 ~ 106 )2. 高時間分解能 (MCP1 枚が 1mm 以下 )3. 高磁場で使用可能 ( 垂直に磁場をかける )
飽和特性
2004/3/9 科研費特定領域 第二回研究会
研究目的Bar-TOP counter に用いるための光検出器の研究開発
1 ~ 5 の性能が要求される
角型リニアアレーマルチアノード MCP-PMT の開発
高い性能を示す MCP-PMT の構造
1光子照射時の Gain 1光子照射時の時間分解
能 収集効率
磁場中における• 仕様の異なる4種のシングルアノードの MCP-PMT の研究
オリジナル
2004/3/9 科研費特定領域 第二回研究会
MCP-PMT の仕様
MCP-PMT HPK6 Russia10 HPK10 Burle25型番号 R3809-U-50-
11XN4428 R3809-U-50-
25X85011-501
PMTの径 (mm) 45 30.5 52 71x71
有効光電面(mm) 11 18 25 50x50
MCPの枚数 2 2 2 2
MCP チャンネル径 D(μm)
6 10 10 25
規格長( α=L/D) 40 43 40 40
最大の印加電圧 (V) 3600 3200 3600 2500
光電面 マルチアルカリ
マルチアルカリ
マルチアルカリ バイアルカリ
QE(%) (λ=408nm) 26 18 26 24
HPK6 Russia10 HPK10 Burle25
2004/3/9 科研費特定領域 第二回研究会
波形(磁場 =0T 、電圧は各 MCP-PMT の最大電圧)
MCP-PMT HPK6 Russia10 HPK10 Burle25
Rise time(ns) 0.3 1 0.4 0.8
1光子照射
Russia10
Burle25
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ADC(0.25pC/count)
HPK6(3600V)
HPK10(3600V) Burle25(2500V)0.8T
Russia10(3200V)
ADC 分布
HPK6 :PHR=140%(0T) →60%(1.5T)Russia10 :PHR=147%(0T) →71%(0.8T)
1光子分布
(pedestal : 100 count)
波高分解能 (PHR)
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ADC v.s. TDC (B=1.5T)
TD
C(2
5ps/
cou
nt)
ADC(0.25pC/count)
補正後の TDC 分布
補正後の ADC vs TDC
HPK6(3600V)
HPK10(3600V)
Russia10(3200V)
Burle25(2500V) (0.8T)
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磁場 v.s. GainG
ain
B(T)
0 0.4 0.8 1.2 1.6 0 0.4 0.8 1.2 1.6
0 0.4 0.8 1.2 1.6 0 0.4 0.8 1.2 1.6
10
10
10
7
6
5
10
10
10
7
6
5
10
10
10
7
6
5
10
10
10
7
6
5
• HPK6 、 Russia10 : 高磁場中でも 106 の高 Gain• Burle25 : 磁場 1.0T 以上では Gain が低下 測定不可能
Russia10(3200V)
Burle25(2500V)
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磁場中における 2 次電子の MCP チャンネル内での運動
■ 電子はローレンツ力を受け、軌道が曲げられる■ 電子の飛び出すエネルギーは 3[eV] を用いた ( 磁場= 1.5T でのラーモア半径≒ 3.9[μm])
HPK6 ・・・ 6μm(0T)
5.1μm(1.5T)
85%
burle25 ・・・ 25μm(0T)
9.7μm(1.5T)
40%
•平面上の電子軌道
チャンネル径:大 加速距離の減少大
衝突エネルギーの減少大
MCP のチャンネルを上から見た図
MCP のチャンネルを横から見た図
加速距離
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2 次電子の衝突エネルギー衝突エネルギーは MCP からの 2 次電子放出数に関係
Burle25: 1.0T 以上で 20eV 以下!!
電子が MCP に衝突し、 2 次電子を放出する最低エネルギーは 20eV
1.0T 以上では電子増幅が起こらず測定できない ( 実験結果と合致 )
10磁場 vs 衝突エネルギー
10
10
7
6
5
0 0.4 0.8 1.0 1.2 1.6 B(T)
Gai
n
0 0.4 0.8 1.2 1.6 B(T)
E(e
V)
20
40
60
0
Burle25(2500V)
高磁場中ではチャンネル径の小さい MCP-PMT が有効
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磁場 v.s. 時間分解能
B(T)
時間
分解
能(p
s)
0 0.4 0.8 1.2 1.6 0 0.4 0.8 1.2 1.6
0 0.4 0.8 1.2 1.6 0 0.4 0.8 1.2 1.6
80
60
40
20
0
80
60
40
20
0
120
80
40
0
120
80
40
0
HPK6 、 Russia10(0 ~ 30 ) : 高 Gain 30 ~ 40ps の高時間分解能 Gain が低下している測定点 時間分解能が悪化
° °
Russia10(3200V)
Burle25(2500V)
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Gain vs 時間分解能 ■電圧、磁場、角度を変えて測定した全てのデータ
0
20
40
60
80
100
120
106105 107 Gain
時間
分解
能(p
s)
40ps以下の高時間分解能を得るためには、 106 以上の Gain が必要
Russia10
Burle25
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収集効率
同じ光量で測定し比較することにより収集効率を導出
基準 PMT:
•開口率・・・ MCP表面の全面積に対するチャンネルの開口面積の比率
•Al膜・・・・イオンフィードバック防止のために MCP表面にある (透過率 60%)
●収集効率に関わる点
量子効率、収集効率ともに既知で 1 光子の信号とノイズが
分離できる PMT 、 H3171-04 ( No.LA9806 )を使用
MCP の表面 :
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HPK6(開口率 60%,Al膜有 )
HPK10(開口率 60%,Al膜有 )
磁場 (0T~ 1.5T) 平均収集効率 (%) 35.5
磁場 (0T~1.5T)
平均
収集効率 (%) 44
磁場 (0T~ 1.0T) 平均収集効率 (%) 30.3
磁場 (0T~ 0.2T) 平均収集効率 (%) 30.5
収集効率ー結果ー
開口率 (%) 収集効率(%)
Al膜がなく、開口率 50%以上のMCP-PMT
Russia10( 開口率 40%,Al膜無 )Burle25( 開口率 30%,Al膜無 )
( Al膜無し)
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角型マルチアノード MCP-PMT
仕様の異なる4種の MCP-PMT を用いて、磁場中での性能について研究
■ 高磁場中ではチャンネル径の小さい MCP-PMT が有効■ ~ 40ps の高時間分解能を得るためには 10 以上の Gain が必要■MCP表面の Al膜を除くことにより、収集効率が向上する
6
光検出器に要求する性能
•磁場に対する耐性からチャンネル径を 10μm 以下•高時間分解能を得るため Gain を 106 以上•MCP表面の Al膜無し、開口率を 50% 以上
(1)1 光子が検出可能 (2) 高時間分解能≦ 40 ~ 50ps
(3)1.5T の磁場中で使用可能 ( 角度付 )(4) 収集効率≧ 50 %
(5 ) 位置分解能
リニアアレーのマルチアノード+
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今回浜松ホトニクスと共同開発した MCP-PMT
角型 マルチアノード MCP-PMT 開発
5.3mm
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角型 MCP-PMT の構造の特徴MCP のチャンネル径 10μmMCP の厚さ 400μm MCP-MCP 間 30μmMCP 枚数 2 枚最大印加電圧 3.5kVリニアアレーの 4 チャンネルアノード PMTMCP 開口率 60%MCP表面の Al膜 ( イオンフィードバック防止 ) なし有効光電面の領域 72% 光電面 マルチアルカリ ( 最大 QE:19.5%, =350nm)
) Gain, 時間分解能
Dead space の減少
27.5mm
27.5mm
概観
収集効率)
角型マルチアノード MCP-PMT 仕様
位置分解能
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500ps
20mV
波形
Rise time ~ 400ps
1光子照射 ADC分布
1光子分布
Gain ~ 2x106
pedestal
25p
s/b
inTDC分布
基本性能 (B=0T,HV:3.5kV)
0.25pC/bin
σ~ 30ps
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磁場に対する Gain,TTS最大電圧( 3.5kV) では、 B=1.5T でも10 以上の Gain が得られる10 の Gain が得られれば磁場に対して時間分解能が悪化する振る舞いは見られない
B v.s. Gain , 時間分解能
6
6
-- 3.1kV-- 3.2kV-- 3.3kV
-- 3.5kV-- 3.4kV
HV
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角型マルチアノード MCP-PMT の性能
B(T) 0 1.5
Gain 2x106 1.5x106
時間分解能 (ps) 29 30
収集効率 (%) (QE=0.18) 56%
•Gain , 時間分解能 , 収集効率 (1光子照射)
TTS~ 34psGain~ 2x106
4 チャンネル全てで同じ性能が得られる
チャンネル間の性能のばらつき
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まとめ
1. 1光子検出可能2. 1光子での時間分解能 σ~ 30ps3. 磁場中で使用可能 (B=1.5T)4. 収集効率 ≧ 50 %5. 位置分解能 ~ 5 mm
・ TOP counter 用のリニアアレーマルチアノード MCP-PMT を 開発し、性能評価を行った。
今回開発した角型マルチアノード MCP-PMT は期待通りの性能を示した
•仕様の異なる4種のシングルアノード MCP-PMT の、磁場中での性能につ いて研究
チャンネル径を 10μm 以下Gain を 106 以上MCP表面の Al膜無し、開口率を 50% 以上
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Back up
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波高分解能の向上•無磁場、磁場中での MCP 中の 2 次電子流
●無磁場 広がり大
●磁場中 広がり小
少数のチャンネル
飽和特性
波高分解能向上
•無磁場 •磁場中
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HPKco. PLP 波長 408nmジッター <±10ps
AMPHPKco. ampGain ・・・ 36dB ( ~ 63 倍 )
CAMAC moduleADC ・・・ 0.25pC/countTDC ・・・ 25psec/count
1光子照射(基準球)
SET UP @ KEK-PS
ADC
1 光子 peakpedestal
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Al膜が無い Russia10は高 Gain、高時間分解能
収集効率ー考察ー
HPK6、 HPK10 : Al膜が蒸着Al膜の透過率~ 60%、開口率 60% 収集効率~36%
Al膜が収集効率を低下させる
●光検出器に要求する性能 (4) 収集効率≧ 50%
Al 膜が蒸着されている場合、開口率が 80% 以上必要 : 不可能
Al膜蒸着がなく、開口率 50%以上のMCP-PMT
(イオンフィードバックによる悪影響はない)
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HPKco. PLP(C4725)波長 ・・・ 408nmjitter ・・・ <±10psPulse 幅 ・・・ <50ps
AmpHPKco. Amp(C5594)Gain ・・・ 36dB帯域 ~・・・ 1.5GHz
CAMACADC ・・・ 0.25pC/countTDC ・・・ 25psec/count
1光子照射2ch SPOT 照射 (Φ1mm)
Set up@HPK
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ラーモア半径
B=1.5T
ラーモア半径 ~3.9μm(3eV)
ラーモア半径
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MCP(Micro-Channnel Plate)
10μm の細いガラスパイプの集合体ガラスパイプそれぞれが独立した二次電子増倍器
あるチャンネルに入った電子は必ず同じチャンネルから出る
磁場の有無とは無関係に位置分解能がある
位置分解能の原理
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2ch, SPOT, 1 光子照射 (Φ1mm)
他 chへの signal のしみだしは見られない。( 磁場 :0,0.5,1.0,1.5T)
磁場に依存せず位置分解能がある。
磁場に対する位置分解能位置分解能は 5mm以下(アノードのチャンネルサイズ )
0T
1.0T1.5T
0.5T
位置分解能
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■HV:3400V ,1光子照射チャンネル間に性能のばらつきはない。
どのチャンネルでも同じ性能が得られる
Gain~ 2x106
ch vs Gain
TTS~ 34psec
ch vs TTS
チャンネル間の性能のばらつき
2004/3/9 科研費特定領域 第二回研究会
イオンフィードバックの影響
アフターパルス
光電子増倍管内の残留ガスが電子によりイオン化され、この内の陽イオンが光電面に戻ること ( イオンフィードバック ) により多数の光電子を発生させる。
(通常、本信号から数十 ns ~数 μs遅れる )
今回の PMT も複数光子照射すると、約十 ns にアフターパルスが見える。
しかし、 1 光子照射では新品であることもありアフターパルスは見えない。
(原因がイオンフィードバックかは分かっていない )
時間分解能に悪影響はない
イオンフィードバックについて
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2ch3ch
gain
(0.2
5pC
/cou
nt)
角型マルチアノード MCP-PMT2ch の gain
•ch 以外の所に光が入射 -L16同様電荷が検出
•ch 上に光が入射 -10 カウント以内 (XY方向 )
X(mm)0 1 2 3 4 5 6
10
20
30
40
Δgain X方向:~ 10countY方向:~ 2count
増幅電子が 2 つのアノードにまたがって検出
カソード
MCP
アノード
クロストーク
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カソード
MCP
角型マルチアノード MCP-PMT2ch の TDC の RMS と TDC-mean
• RMS は場所によらず 0.5count 以内•カソード、 MCP 間の距離が一定 →TDC-mean の場所によってのふらつき小(~ 2count )
RM
S(c
ount
)
X(mm)0 1 2 3 4 5 6
チャンネル全体で時間分解能は変化なし (spot: ~ 35psec, all: ~ 35psec)
0.5count
TD
C-m
ean(
25ps
ec/c
ount
)
0 1 2 3 4 5 6X(mm)
1730
1732
1728
1734
1736
3
4
5
2count
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今後の課題
S 本信号の pulse-height N Cross-talkの pulse-height = = 750mV
150mV = 5
Cross-talk が本信号に対して、非常に大きい。
今後の課題
・ Cross Talk
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Cross-talk
本信号のパルスハイト信号のクロストーク パルスハイト
クロストーク波形の特徴 本信号に対して極性
が反転 全ての で発生チャンネル S/N ~ 3 – 5
S/N =
PMTあたりの光量を増加(~数光子)
本信号と他 から生じる が同時に発生する確率チャンネル クロストーク 増加
一光子に対応する ADC count での時間分解能の悪化 (30psec→70psec→90psec)
今後の最重要課題
全面照射時
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Cross-talk②原因調査
I(t)=RI+ +L =V0C
Q
dt
dI
R2 <4L/C の時、振動解
I(t)= exp( t)sin( t)β
2V0
2L-R
2Lβ
(β= (4L/C)-R2 )
原因①
R:読み出し回路系のインピーダンス (50Ω)L:電源供給ラインのピンによるインダクタンス ( ~ 50nH)C:MCP 二段目 out- 間のアノード キャパシタンス ( ~ 1pF)
により (1) の経路で RLC 回路を構成
原因②Signal 出力時に MCP 二段目 out 全体が (a)式の解で振動
-(a)
発生の根本となるクロストーク致命的な部位
式 (a) に を代入した時の計算にパラメータよる 波形の再現クロストーク
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Cross-talk③対策
の完全除去に挑戦クロストークL,C を完全に無くすことは不可能 (原因① )
各 Ch で MCP蒸着電極とブリーダ回路を分割 (原因② )
他の にチャンネル Signal による電位の振動が伝わらない
完全除去!!クロストーク
現在試作・性能試験中
-課題 -隣り合う 間・アノード MCP 電極間のキャパシタンス各 共通なチャンネル HV供給源により が有意に起こる可能性があるクロストーク
今後より深い考察と回路 が不可欠シュミレーション
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