Transcript チェレンコフ光を利用した 粒子識別装置の開発

第２回次世代光センサーに関するワークショップ
TOPカウンター用
MCP-PMTの開発
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
1.5T
2.6m
e-
8.0GeV
e+
3.5GeV
改良型Belle測定器断面(案)
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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
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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
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)
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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. 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-PMT
Channel
f~10mm
~400mm
MCP – Micro Channel Plate
 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
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角型MCP-PMT (1)
SL10
TOP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
 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)
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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) ～30ps
@B=1.5T
位置分解能<5mm
収集効率～50%

Rise time ～400ps
１光子照射
時間分解能 σ～30ps
Nucl. Instr. Meth. A528 (2004) 768.
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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
(Nucl. Instr. Meth. A564 (2006) 204.)
HPK (x2)
O
X
Russian (x5)
Al protection
O
X
4065%
60% 55-60%
Correction eff. 37%
Effective area
11mmf
18mmf
Gain
1.9x106 1.5x106
3-4x106
TTS
34ps
29ps
30-40ps
Photo-cathode
Multi-alkali (NaKSbCs)
Quantum eff. at
400nm
21%
19%
16-20%
Bias angle
13deg
5deg
 LED パルス(400nm, 1~5kHz, 20~100p.e./pulse)で負荷
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寿命測定結果 - 量子効率(Q.E.) 

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


Al保護膜あり



１年相当で50%以下
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
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寿命測定結果 - Q.E. vs 波長 


劣化後のQ.E.分布 (前後のQ.E.分布の比)
長波長側で顕著にQ.E.が低下
チェレンコフ光の検出数；13%減 (HPK w/Al)

チェレンコフ光の発生数~1/l2
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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


>1013photons/cm2



急激に低下
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/ Al(#32) Russian w/o Al (#6)
－before s=31ps
s=36ps
－after
HPK w/o Al
HPK w/ Al
s=29ps
s=33ps
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s=43ps
s=32ps
s=34ps
s=34ps
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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)



Al保護膜あり
2ステージのMCP


Target structure
GaAsP光電面
f10mm hole
4chアノード
CAMAC
36dB

基本性能テスト

PLP
PMT
ATTN
AMP
DISC
there 100mV
DISC
BLACK BOX
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ADC
GATE
λ=407nm
FILTER
Jitter～10ps
時間分解能
DIV
25ps/1bin
TDC
there 20mV
START
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GaAsP MCP-PMT 基本性能

一光子照射時の出力波形, ADC, TDC分布
pedestal
TTS～35ps
single
photon
peak
Single p.e.
0.5ns/div
20mV/div



Gain～
0.64×106
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
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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
Light propagation
velocity inside quartz

寿命測定を開始

Q.E.の劣化が一番の問題点
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まとめ

角型MCP-PMTを開発中



1.5T磁場中で１光子検出
ゲイン：１０６
時間分解能：３０～４０ｐｓ


MCP増幅部はOK
マルチアルカリ光電面

寿命: OK (Al保護膜あり)


Super B factory環境下で１５年以上
GaAsP光電面へ



波長分散効果による時間分解能の悪化の低減
MCP増幅部は良好に動作
 製造手法の確立、寿命の評価
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Lifetime test
Luminosity (/cm2/sec)
BKG particle (through the one
TOP counter) rate (Hz)
Detected Photon (/ particle)
PMT effective area (cm2)
Detected photon (/cm2/sec)
Incident photon (/cm2/year)
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Present B-factory
～1 x 1034
44K
(from simulation)
Super B-factory
～2 x 1035
880K
～7
90 (20PMTs)
68K
～2x1013
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TOP design

Quartz: 255cmL x 40cmW x 2cmT


Focus mirror at 47.8deg.
to reduce chromatic dispersion
Multi-anode (GaAsP) MCP-PMT

Linear array (5mm pitch), Good time resolution (<~40ps)
MCP-PMT
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Expected performance

K/p separation power

GaAsP photo-cathode + Focusing mirror
>4s K/p upto 4 GeV/c, q<90ﾟ
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Focusing TOP

Use l dependence of Cherenkov
angle to correct chromaticity



Angle information  y position
Reconstruct Ring image from 3D
information (time, x and y).
Good separation even with narrow
mirror and readout plane because
of long propagation length
Dqc~1.2mrad
Virtual readout screen
22mm x 5mm matrix
Focusing
mirror
1850mm
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Test counter
Beam test
@ KEK PS p2 line
3 GeV/c p- beam
qin=fin=90 degree
Test counter
1mm pitch readout
• Clear ring image
• Reasonable
time resolution
• Enough bar quality
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