チェレンコフ光を利用した 粒子識別装置の開発

download report

Transcript チェレンコフ光を利用した 粒子識別装置の開発

次世代光センサーワークショップ
TOPカウンター用
MCP-PMTの研究開発(1)
名古屋大学大学院理学研究科
高エネルギー物理学研究室
居波賢二
TOPカウンター (1)


Belle実験の測定器改良案の1つとして開発中
チェレンコフ光を利用した粒子識別装置(p/K)
1.2m
2.6m
e-
8.0GeV
e+
3.5GeV
改良型Belle測定器断面(案)
次世代光センサーワークショップ 2005/12/26-27
2
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で測定
同じ運動量のp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
次世代光センサーワークショップ 2005/12/26-27
3
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
シミュレーション
2GeV/c, q=90 deg.
1次元読み出し
(~5mm)
時間分解能 s~40ps
時間
~2m
K
p
~200ps
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)
次世代光センサーワークショップ 2005/12/26-27
4
テストカウンター

ビームテスト @KEK

3GeV/c p-
石英バー
表面精度<5mm
光検出器
位置分解能1mm
時間分解能70ps
予想通りのリングイメー
ジが実験によって得ら
れた。
光検出器の時間分解能
は不十分。
次世代光センサーワークショップ 2005/12/26-27
5
光検出器に要求される性能
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. 高い収集効率
5. 位置分解能 ~ 5 mm
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
次世代光センサーワークショップ 2005/12/26-27
6
MCP-PMT (1)
MCP – Micro Channel Plate
f~10mm
~400mm
R3809U-50-25X
 直径数mm-数十mm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
Window size : 25mmf
次世代光センサーワークショップ 2005/12/26-27
7
MCP-PMT (2)

磁場0~1.5T(管軸平行)中での時間応答
HPK6
BINP8
MCP-PMT
(NIM A528, 763)
HPK10
Burle25
HPK6
BINP8
N4428
R3809U-50-25X
85011-501
PMT size(mm)
45
30.5
52
71x71
Effective size(mm)
11
18
25
50x50
Channel diameter(mm)
6
8
10
25
Length-diameter ratio
40
40
43
40
Max. H.V. (V)
3600
3200
3600
2500
photo-cathode
multi-alkali
multi-alkali
multi-alkali
bi-alkali
Q.E.(%) (l=408nm)
26
18
26
24
R3809U-50-11X
次世代光センサーワークショップ 2005/12/26-27
HPK10
Burle25
8
パルス応答

パルス波形 (B=0T)


早い立ち上がり
(~500ps)
BINP8のみ広がった波形



HVラインとのインピーダン
スのため
時間分解能には影響なし
ゲイン v.s. 磁場


チャンネル径の小さいも
のほど磁場に対して耐性
穴のサイズと増幅電子の螺旋
運動半径との対比で理解可能
次世代光センサーワークショップ 2005/12/26-27
9
時間応答

TTS v.s. 磁場


チャンネル径の小さいものほど磁
場に対して耐性
TTS v.s. ゲイン



Single photon
ゲインが106程度以上あると
30~40psの時間分解能が得られ
る
チャンネル径 <~10mm
MCP-PMT



1光子検出可能
30ps程度の時間分解能
1.5Tの磁場中で動作可能
次世代光センサーワークショップ 2005/12/26-27
Single photon
10
角型MCP-PMT (1)
SL10
TOP counter用光検出器として浜松
ホトニクス社と独自に共同開発
 省デッドスペース
 位置情報
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
0.3mm
角型メタルパッケージにより有効面64%
4チャンネルリニアアノード(5mmピッチ)
次世代光センサーワークショップ 2005/12/26-27
11
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) ~30ps
@B=1.5T
位置分解能<5mm
収集効率~50%
次世代光センサーワークショップ 2005/12/26-27
Rise time ~400ps
1光子照射
時間分解能 σ~30ps
12
TOPカウンターデザイン

石英: 255cmL x 40cmW x 2cmT


色収差の影響を抑えるため、q=46゚で分割
マルチアノード MCP-PMT

3つの端面に設置
Forward
θ
次世代光センサーワークショップ 2005/12/26-27
Need
18 Quartz units,
4320 MCP channels
13
性能(シミュレーション)

Target: >4s K/p at 4GeV/c
TOP performance (bi-alkali cathode)
θ
4GeV/c,q=70゚で 2.5sの分解能
次世代光センサーワークショップ 2005/12/26-27
14
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
次世代光センサーワークショップ 2005/12/26-27
15
GaAsP光電面MCP-PMT (1)


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
次世代光センサーワークショップ 2005/12/26-27
16
GaAsP光電面MCP-PMT (2)

HPK
時間応答性能

光電面の厚みのためにTTSが悪い可能性
GaAsP:~mm ⇔ multi(bi)-alkali:~100Å

シングルアノードMCP-PMTの時間分解能
Structure of measured MCP-PMT
MCP channel diameter
φ6μm
# of MCP
2 stage
anode
single anode
effective area
φ11mm

同じ時間分布
次世代光センサーワークショップ 2005/12/26-27
17
GaAsP光電面を用いた場合の性能

GaAsP光電面(+>400mmフィルタ), CE=36%
4GeV/c,q=70゚で 3.5sの分解能(1sの向上)
次世代光センサーワークショップ 2005/12/26-27
18
フォーカスシステム

チェレンコフ角の波長依存性



フォーカスミラーによって角度を
y方向の位置に変換する
時間+x,y位置情報から波長分解
したチェレンコフリングイメージを
再構成
薄いミラーと読み出し面でも伝播
距離を伸ばすことで分解が可能
θ c (λ ) = cosー1(
1
)
n(λ )β
PMTを回転
Focus Mirror
次世代光センサーワークショップ 2005/12/26-27
19
Focusing TOPの性能

GaAsP光電面(+>400mmフィルタ), CE=36%
4GeV/cで 4.3s の分解能を達成
次世代光センサーワークショップ 2005/12/26-27
20
まとめ

次期粒子識別装置TOPカウンター


チェレンコフリングイメージ測定器(精密時間+位置)
基本デザイン開発はほぼ終了


光検出器  角型MCP-PMT


1.5T磁場中で1光子検出
~30psの時間分解能
GaAsP光電面角型MCP-PMT




フォーカスミラーを製作・評価
波長分散効果の低減のため
プロトタイプは完成
製造手法の確立が今後の課題
HPK製SL10
寿命評価、GaAsP光電面開発次の発表
次世代光センサーワークショップ 2005/12/26-27
21