top カウンター開発の現状
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2007/3/22-23 学術創成評価委員会. TOP カウンター開発の現状. TOP カウンター 光検出器 (MCP-PMT) フォーカスミラー. 居波賢二、松村太伊知、 福井謙一、川出健太郎. TOP カウンター (1). Belle 実験の測定器改良案として開発中 チェレンコフ光を利用した粒子識別装置 ( p /K ). 1.5T. 1.2m. 2.6m. e + 3.5GeV. e - 8.0GeV. 改良型 Belle 測定器断面 ( 案 ). TOP カウンター (2). 石英を用いたイメージング - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
TOP カウンター開発の現状
居波賢二、松村太伊知、福井謙一、川出健太郎
2007/3/22-23 学術創成評価委員会
- TOP カウンター
- 光検出器 (MCP-PMT)
- フォーカスミラー
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TOP カウンター (1) Belle 実験の測定器改良案として開発中 チェレンコフ光を利用した粒子識別装置 (/K)
改良型 Belle 測定器断面 ( 案 )
2.6m
1.2m
e-
8.0GeVe+
3.5GeV
1.5T
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TOP カウンター (2) 石英を用いたイメージング
石英輻射体で発生したチェレンコフ光を端面まで内部反射 ( 全反射 ) させ、スクリーン上の 20 個程度の光の到達点からリングイメージを再構成
光の到達点は光電子増倍管などで測定
同じ運動量のと K では速度が異なるため、リングイメージがずれる。
大きいスクリーンが必要
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TOP カウンター (3) 2 次元位置情報 位置 + 時間
コンパクト化に成功
同じ運動量ではリングの開きが異なる 伝播距離 (= 伝播時間が異なる )
1 次元読み出し (~5mm)時間分解能 ~40ps
~2m
K
シミュレーション2GeV/c, =90 deg.
時間
~200ps
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TOP デザイン 石英 : 255cmL x 40cmW x 2cmT
フォーカスミラー 色収差による悪化を補正
マルチアノード GaAsP MCP-PMT 5mm ピッチチャンネル , 良い時間分解能 (<~40ps)
MCP-PMT
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期待される性能 K/ 分分分分
GaAsP 光電面 + フォーカスミラー
4GeV/c まで 4 K/ 分分分分分
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R&D 項目 光検出器 (Key component)
角型 MCP-PMT 開発 マルチアルカリ光電面 寿命測定 (>5 years)
GaAsP 光電面 浜松ホトニクスとプロトタイプの製作 時間分解能の確認 (<40ps) 寿命測定
フォーカスシステム フォーカスミラーの形状精度測定
読み出し回路 Constant fraction discriminator +HV divider module
Focus Mirror
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光検出器に要求する性能
1. 1光子検出可能
2. 1光子に対する時間分解能 σ~40ps
3. 磁場中で使用可能 (B=1.5T)
4. 位置分解能 ~5mm
5. 高い量子効率・収集効率
全ての要求を満たす可能性のある光検出器として MCP-PMT を研究開発
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MCP-PMTMCP – Micro Channel Plate
直径数 m-数十 m のガラスパイプを多数束ねた構造
パイプ各々が独立した二次電子増倍部
MCP 一段の薄さ 1mm以下
-特徴 - 高 Gain~ 105-106(MCP2段内蔵 ) 高時間分解能 σ<~40psec 平行磁場中で使用可能
Channel
~400m
~10m
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角型 MCP-PMT (1)外形 27.5x27.5x14.8mm
有効面(外形に対する比) 22x22mm(64%)
光電面 マルチアルカリ量子効率 ~20%(λ=350nm)
MCP チャンネル径 10μm
MCP 段数 2 段MCP 表面 Al 蒸着 なし
開口率 ~ 60%
アノード 4 チャンネルリニアアレーアノード有効面 (1ch) 5.3x22mm
アノード間ギャップ 0.3mmTOP カウンター用光検出器として浜松ホトニクス社と共同開発
SL10
省デッドスペース 角型メタルパッケージにより有効面 64%
位置情報 4 チャンネルリニアアノード (5mm ピッチ )
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角型 MCP-PMT (2) 1光子検出可能 立ち上がり時間~ 400ps Gain=1.5x106 @B=1.5T 時間分解能 ( 1光子 ) ~ 30
ps @B=1.5T 位置分解能 <5mm 収集効率~ 50%
Rise time ~ 400ps
時間分解能 σ ~30ps
1光子照射
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寿命測定 Super B factory環境下を想定し、ビームバックグラウン
ドによる高ヒットレートに対する耐性をテスト 量子効率、ゲイン、時間分解能
LED パルス (400nm, 1~5kHz, 20~100p.e./pulse) で負荷
HPK (x2)Russian
(x5)Al protection O X O X
Correction eff. 37% 65%40-60% 55-60%
Effective area 11mm 18mm
Gain 1.9x106 1.5x106 3-4x106
TTS 34ps 29ps 30-40psPhoto-cathode Multi-alkali (NaKSbCs)Quantum eff. at 400nm 21% 19% 16-20%Bias angle 13deg 5deg
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1光子状態のレーザーパルスを入射して Q.E. を評価
Al保護膜なし 1年相当で 50%以下
Al保護膜あり 相対的に長寿命 ロシア製は不十分
HPK Al保護膜ありの MCP-PMT は十分な寿命を持つ
寿命測定結果 - 量子効率 (Q.E.) -
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寿命測定結果 - ゲイン - 1 光子検出での出力
電荷から評価
<1013photons/cm2
急激に低下 >1013photons/cm2
緩やかに低下
1 光子検出 : OK 印加電圧を上げることでゲインが回復
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寿命測定結果 - 時間分解能 (TTS) - 一光子照射時の時間分解能
寿命測定前後 分解能に影響無し
~35ps を維持Russian w/o Al (#6)
HPK w/o Al
Russian w/ Al(#32)
HPK w/ Al
- before- after
=31ps=36ps
=43ps=32ps
=34ps=34ps
=29ps=33ps
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Chromaticity ( 色収差 ) 検出時間がチェレンコフ光の波長に依存して変化
時間分解能の悪化 リングイメージの分離能力の悪化
石英中での光の伝播速度の波長依存性
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GaAsP 光電面 MCP-PMT 高い量子効率 長波長に感度 → 波長分散効果が少ない
石英中の光の伝播速度
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GaAsP MCP-PMT 開発 角型 MCP-PMT + GaAsP 光電面 プロトタイプ (HPK)
GaAsP 光電面 Al保護膜あり
2 ステージの MCP 10m hole
4chアノード
基本性能テスト 時間分解能
Target structure
DISC
PLP PMT ATTN AMP DIV
TDC
ADC
FILTER
BLACK BOXDISC
λ =407nmJitter~10ps
there 100mV
36dB
there 20mV
25ps/1bin
CAMAC
START
GATE
DISC
PLP PMT ATTN AMP DIV
TDC
ADC
FILTER
BLACK BOXDISC
λ =407nmJitter~10ps
there 100mV
36dB
there 20mV
25ps/1bin
CAMAC
DISC
PLP PMT ATTN AMP DIV
TDC
ADC
FILTER
BLACK BOXDISC
λ =407nmJitter~10ps
there 100mV
36dB
there 20mV
25ps/1bin
CAMAC
DISC
PLP PMT ATTN AMP DIV
TDC
ADC
FILTER
BLACK BOXDISC
λ =407nmJitter~10ps
there 100mV
36dB
there 20mV
25ps/1bin
CAMAC
PLP PMT ATTN AMP DIV
TDC
ADC
FILTER
BLACK BOXDISC
λ =407nmJitter~10ps
there 100mV
36dB
there 20mV
25ps/1bin
CAMAC
START
GATE
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一光子照射時の出力波形 , ADC, TDC 分布
一光子を検出するために十分なゲイン 35ps の十分良い時間分解能 ダークカウント:数 kHz
MCP 増幅部は正常に動作 光電面の時間分解能に対する影響は少ない
GaAsP MCP-PMT 基本性能
Single p.e.0.5ns/div20mV/div
pedestal
single photon peak
Gain~0.64×106
TTS~ 35ps
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GaAsP MCP-PMT; Q.E. 分布 プロトタイプの測定結果
マルチアルカリ光電面と比較して 良い量子効率
>35% at 500nm 長波長に感度
寿命測定を開始 Q.E. の劣化が一番の問題点
Light propagation velocity inside quartz
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フォーカスシステム 色収差を直接補正するために、チェ
レンコフ角の波長依存性を利用 フォーカスミラーで角度情報を
位置情報に変換 時間と x,y の 3 次元情報からリン
グイメージを再構成 長い伝播距離を稼ぐことによっ
て、細長いミラーと読み出し面でも分離能力が良い
Focus Mirror
))(
1(cos=)( 1
βλnλθ c
ー
PMT
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Focusing TOP の分離能力 GaAsP 光電面 (+>400m filter), CE=36%
4.3 分離 at 4GeV/c
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フォーカスミラー プロトタイプを製作
40x2x2cm, R=5m 石英バー端面に接着
形状測定 連続的な鏡像となる形状か? 測定手法の確立
Focusing mirror
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測定方法 レーザー変位計で厚みを測定レーザー変位計とは・・・ 対象物にレーザー光を投光、 CCD 上での反射光
の 受光位置により、対象物との距離を測定する。 (本測定では正反射光を受光)
レーザー変位計の構造
利点☆測定中に動かなければ、設置の際に変位計・ bar が多少ずれて設置されていても影響無し☆測定中、 bar または変位計2つがZ方向に振動しても、厚みは変化しない。
レーザー変位計 (固定 )
自動ステージに乗せX Y方向にスライド
石英 bar(可動)
Z
Y
X(1) 上下の変位計が bar までの距離を測定(2) 二つの距離の差を bar の厚み情報へ (3) ステージを X ・ Y方向に動かし、 厚みの変位を観測
⇒一番厚い箇所が頂点
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測定装置製作
X
Y
Z
レーザー変位計
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測定結果 平面部で装置の測定精度
を確認 =3.5m の厚み精度
曲面部の頂点位置 4.9±0.2mm のずれ
平面部を再研磨して補正
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まとめと今後 光検出器 MCP-PMT
GaAsP 光電面角型 MCP-PMT の開発 1 光子検出可能で、 ~35ps と十分な時間分解能 寿命測定を開始
アルカリ系光電面では十分な寿命であることを確認済み フォーカスシステム
フォーカスミラーの形状測定 約 5mm のずれを確認 再研磨
今後 GaAsP 光電面 MCP-PMT の寿命測定
さらにいくつかのプロトタイプを製作しテスト フォーカスミラーの精度向上輻射体プロトタイプの製
作 エレクトロニクスの開発
AMP, CFD, TDC
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Electronics C.F.D.
Constant fraction discriminator Compact test module 8ps timing jitter: OK + MMIC AMP on board + HV divider PMT module
TAC, Backend TAC-IC, TDC DAQ interface
5cm