Transcript 高時間分解能光検出器
TOP COUNTER (Time of Propagation) 名古屋大学 理学研究科 素粒子宇宙物理学専攻 高エネルギー物理学研究室 栗本 謙 発表の目的 高時間分解能を持つ光検出器のR＆D ・光検出器の性能を測定する 発表概要 ・測定するための装置の構築 キーワード① Belle実験 終状態のπ/K粒子識別が重要 キーワード② 粒子識別装置 π/K識別を主目的とする検出器 キーワード③ TOPカウンター 新型粒子識別装置 Time Of Propagation(光子の伝播時間) をもちいて粒子識別 キーワード④ 高時間分解能光検出器 TOPのために必要 Belle実験概要 Belle検出器 Mt. Tsukuba KEKB 3.5 GeV e+ Belle 8 GeV e- 直径～１Ｋｍ 世界最高性能 KEKB 加速器 : 電子陽電子衝突型加速器 非対称エネルギー : 電子 8.0 GeV, 陽電子 3.5 GeV 重心系エネルギー : ECM = 10.58 GeV e- e+ ⇒ U(4S) → BB ・ルミノシティ増強 ・検出器の性能アップ ピーク・ルミノシティ 1.71 x 1034 cm-2s-1 積分ルミノシティ > 710fb-1 Super B-factory計画中 Super B-factory用検出器 ・Belle検出器の性能アップとは？ 崩壊後の終状態粒子を精度よく識別することが重要 (電子e、光子γ、陽子p、μ±、π±、K±、Kl) p K ~139.57MeV/c2 ~493.67MeV/c2 荷電ハドロン 荷電ハドロン p/Kが識別が困難 ・TOF 粒子識別装置 現在実装されている p/K識別を主目的とする検出器 ・ACC ・CDC ・粒子識別装置のアップグレード 次世代型p/K識別装置TOPカウンター インストール予定位置 e8.0GeV 1.2m 2.6m 1.5T 改良型Belle測定器断面 e+ 3.5GeV TOFカウンター 実験グループの目的 よりp/K識別能力の高い検出器 TOPカウンター TOPカウンターの原理① TOPカウンターはチェレンコフ光のリングイメージを利用した 粒子識別装置(p/K) 粒子識別の手法 運動量と速度の測定 (p = bgm) 質量同定 粒子識別 運動量 ドリフトチェンバーで測定 速度粒子識別装置で測定 RICHによる粒子の速度測定 チェレンコフ光 高エネルギー荷電粒子が屈折率 nの物質中を通過 すると、速度によってのみ決まる方向に光子を放出 チェレンコフ光の放射角 cosθ c 1/ nβ チェレンコフ光のリングイメージを観測する ことで速度測定(粒子識別)が可能！ TOPカウンターの原理② 石英バー 光検出器 p/Kが同じ運動量で入射 チェレンコフ光伝播距離の差 光検出器への到達時間の差 p/Kが同じ運動量ではリングの開きが異なる 光子の伝播時間の情報 y z 石英バーを上から見たとき(ｙ方向) x t x 200ps π/K粒子の識別 微小な時間差を識別する 高時間分解能光検出器が 必要となる 検出光子数～20個 光検出器 TOPカウンター用光検出器に求められる性能 •高い時間分解能(１光子に対して40psec以下) •高いQE(~40%) •一光子検出が可能 •磁場中で使用可能(B=1.5T) •位置分解能(5mm以下) これらの要求を満たす光検出器 現在、浜松ホトニクスと共同開発している マイクロチャンネルプレート型光電子増倍管(MCP-PMT) いかにMCP-PMTが高時間分解能光検出器 を実現しているか？ MCP-PMTの動作原理・特徴 10mm ~1cm ～400μm φ~10mm程度のガラスパイプチャンネルを多数束ねた構造 チャンネル各々が独立した二次電子増倍部 Gain~106倍 800mmという短い距離で増幅高速応答 磁場中(1.5T)でも使用可能 どのような光電面材料でMCP-PMTの検出効率を上げるか？ GaAsP光電面 (最大QE:~40%) 光検出器での検出光子数～20個 長波長側に鋭いピーク 検出光子数を増やしたい マルチアルカリ光電面 (最大QE:~20%) QE1光子が光電面に入射し 光電効果を起こす確率 石英中を様々な波長のチェレンコフ光が伝播 波長によって群速度が異なる 群速度と波長の関係 群速度の波長依存性による 時間分解能の悪化を抑えるため 高波長領域に感度(QE)の高い GaAsP光電面を採用 GaAsP光電面MCP-PMTプロトタイプ 5mm 20mm プロトタイプ 角型MCP-PMT 有効面積比 78% 4chアノード(位置分解能～5mm) このMCP-PMTが要求される性能(特に時間分解能) を満たしているか検査するため、次のような測定を行なった 測定項目 •１光子検出可能か？ •Gain(増幅率) •時間分解能σ 光学系セットアップ PLP 光ファイバー MCP-PMT BLACK BOX ND filter NDフィルター 電気信号 光 光 MCP-PMT 光ファイバー Black Boxの中 HPKco. PLP 波長408nm ジッター<±10ps pulse width~50ps (FWHM) レーザーの光はND filterを使いsingle photo-electronレベルまで減光させた 回路系セットアップ HPKco. High Speed AMP Gain36dB(~63倍) 帯域幅1.5GHz 光 ファイバー ND filter 光 Camacクレート ADCとTDCはCamac クレートに設置 (PCによって制御) ADC0.25pC/count TDC25psec/count MCP-PMT PC CAMAC (daq system) 可変Attenuater 1~11dB 帯域幅18GHz 帯域の狭い機器を使用するとシグナルの高周波成分が落ちる シグナルの波形がナマる 回路系の時間分解能の悪化 回路系で使われている機材はなるべく帯域の広いものを仕様 NIMクレート divider,discriminateｒは SMAケーブル NIMクレートに設置 帯域幅18GHz 回路系の時間分解能 σ~8psec １光子検出について 出力電荷分布 １光子ピーク 500mV/div １光子のシグナル (0.25pC/bin) シグナル(~300mV) ノイズ(~10mV) ノイズと１光子シグナルを十分 ADC分布より、一光子 出力電荷量のピークから + + 分けることが可能 ピークが見える Gainを計算 Gain=1.4×10^6 １光子検出！！ 時間分解能測定 光が出てから、検出される までの時間の分布 Time Walk Correction ⊿ｔ 時間のズレ threshold電圧 出力電荷量に依存した 検出時間分布 補正 Time Walkとは？ 出力電荷量(ADC)が異なる Threshold電圧を越える時間にズレが生じる σ=35.33psec shift σ<40psec 達成！！ まとめ 測定するための装置の構築 回路系の時間分解能 σ~8psec 十分な精度で測定できる装置を構築した プロトタイプ 今回、プロトタイプのMCP-PMT性能測定した結果 •一光子での時間分解能 35ps •一光子検出可能 •Gain 1.4×106 TOPカウンターに要求される性能を 十分に満たしていることを確認