Transcript pptx - 東京大学素粒子物理国際研究センター

μPIC/GEMを用いた紫外光の検出
2008年3月24日
日本物理学会第63回年次大会
東京大学 宇宙線研究所 関谷洋之
関谷洋之 日本物理学会第63回年次大会 2008年3月24日 近畿大学
ガスPMT
透過型
MPGDを電子増幅に使用
 光電物質と組み合わせること
で手作りで光検出器を実現

反射型
使用MPGD（顕微鏡写真）
μPIC
GEM/SMASH
Cathode strips
400μm
Anode strips
400μm
10cm×10cm
256×256 strips
merged to 4×4
京都大/
DTサーキット
10cm×10cm
100um thick LCP
140um pitch
70umΦ
SciEnergy
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ガスPMTの可能性・開発目標
30cmμ-PIC
大面積
 薄型
 位置感度
 低コスト製造費
 低バックグラウンド

30cmGEM
28cm
23cm
将来の大型宇宙素粒子検出器
（ニュートリノ・暗黒物質）
用としての展開を目標
Hyper-K, TITAND?
XMASS, 2相式
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昨年の到達点




10cm GEM2段、μPIC読出し
透過型
扱い易いCsI光電面(浜松ホトニクス)
MgF2 window (有効径 34mm)
→まず,Xeシンチレーター用真空紫外光検出器
透過型CsI光電面のQE:100M

エキシマランプによる動作確認を行った
エキシマランプの中心発光波長:172nm
浜松ホトニクスカタログより
ウシオ電機カタログより
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昨年の到達点




Ar+C2H6（90:10）
GEM間HV=356V, μPIC HV=０V
total gas gain=100
1V/1pCのアンプ使用
under Lower GEM
1V
100μs
μPIC cathode
18kHzのExcimer lumpのVUV
をとらえ原理を検証
分解後、光電面を真空デシケータ
で一年間放置
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今回の出発点



GEM間HV=356V, μPIC HV=０V
total gas gain=100
アンプ0.1V/1pC(μPIC),1V/pC(GEM)
μPIC cathode
100mV
18kHzのExcimer lumpのVUV
の振幅は昨年と同じ
1V
100μs
under Lower GEM
光電面を真空デシケータで一年
間放置してもOK！
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VUVを発光するLaF3(Nd)

16mm角の結晶
+ 3kBqのα線源 241Am
→ ”標準光源”
東北大学 多元物質科学研究所吉川グループ


Xeランプと同じような発光波長
光量を測定した
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260
波長(nm)
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光源の光量測定

XMASS用PMT “旧” R8778
←目標とする光検出器
• QE ～30％@173nm
• 1p.e. のスペクトル
HV=-1300V
gain 2.2×106
浜松ホトニクス試験




2”金属管の低放射線
不純物仕様
Quartz窓
UV enhanced bialkali
ボックスライン12段
• ゲインのHV依存性
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光源の光量測定

VUVを通すKrytox
バブリングの様子
®で取り付け
• オペアンプAD817で0.1V/pCに変換
• 10MHz sampling ADC (interface PCI-3163)取込み
• HV=-1300V gain 2.2×106
• 30 p.e.
• QE 30%
→ 光源の強度は100 photons
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ガスPMTへ取り付け


光源を取り付けたところ
窓から初段GEMを覗いた様子
• 結晶のホットスワップ可能！
• 最初に捕らえたのは蛍光灯の紫外線
（水銀） → ブラックシートで覆う
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ガス増幅部のゲイン

gas gain
10000
別途55Feを用いて測定
光検出時は
gain 2.6×105
で動作させた
• 注！ ゴミμPICを使用している！ このμPICの放電が制限
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光のシグナル

μPIC Cathode ¼(64 strips sum) typical output
クリアパルス581(改造)で1V/pCに変換
オペアンプAD817 で0.1V/pCに変換
120mV
12mV
gain 2.6×105なので
光電子数 120mV/1V×1pC/(1.602×10-19)/ 2.6×105=2.9 p.e. 相当
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光のシグナル
• クリアパルス581改造で1V/pCに変換
• 10MHｚ sampling ADCで取り込み
1p.e.は検出できた！

発光量は100 photon → 光電面の量子効率 ～ ２%
=
∫
×
dλ
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241AmのX線は？
•
59.5keV
低バックグラウンドNaI(Tl)
で測定
241Amは13.9keV,59.5keVのX線を出している。
1461keV
これが直接ガスと反応しているのでは？？？
241Am
13.9keV
Black sheet
window
無理矢理discri下げてとった
（RT同じになるように）
何も見えない！
X線は結晶で止まっている。
もともとμPICはガスターゲットのX線イメージング検出器
直接VUV結晶にCsI光電面蒸着すれば、高効率のX線イメージング検出器
として X線結晶構造解析に応用できる！！！
（bialkaliを使えれば普通のシンチレーターでよいのだが。。）
X線イメージング検出器として、 京都大（CR）、東北大（多元物質科学）と共同研究
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まとめ

手作り光検出器を結晶Xを用いて評価した。
◦
◦
◦
◦

CsIなら、実験室で手作り可能！！
増幅率 2×105 で安定動作
CsIの量子効率～2％程度@173nmを確認
1 p.e.の検出成功！
現状とR8778との実力差
◦ 1.5桁の差
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課題と対策

ガス増幅
◦ ちゃんとしたμPICを使えば、106は余裕
(J.M Maia et al., NIMA 580(2007) 373 4GEMで3.5×106で動作)

量子効率：光電面の開発
◦ CsIの厚さの最適化
透過型30nm? 反射型500nm? HighQE 多層?
(B.K. Singh et al., NIMA 454(2000) 364)
◦ CsTe (15%@175nm
「難しい」？ by 浜松ホトニクス)
◦ 反射型 (B.K. Singh et al., NIMA 581(2007) 651 )
5N CsIを10-5Pa 中
速度1nm/sで500nm 蒸着
 GEM穴の最適化が必要
30％@175nm
geometrical , 電場計算
◦ Bialkali に手を出す
大面積化＝photo coverage で勝てばよい。
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気になるところ

photon feedbackの心配
◦ Multi GEM, 反射型で抑制される。
◦ gas gain 6×106 以上でないと起きない。
(A. Breskin et al., NIMA483(2002) 670

時間応答性能
◦ 4GEM CF4 gas 中で 1p.e で σ=1.6ns
150p.e ならσ=300ps
(D. Mormann et al., NIMA504(2003) 93)

CsI 安定性、Aging
◦ 大強度 UV照射続けると劣化
 DM/neutrino なら関係ない
◦ 空気への暴露
(B.K. Singh et al.,
NIMA 581(2007) 651 )
 30分程度は問題ない。あっても真空に引けば戻る。
◦ 長期安定性
 真空中一年は持った
(D. Mormann et al.,
NIMA504(2003) 93)
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戦略



プロトタイプとしては完成（ひとりでできることはやってしまった）
この先は実用化を見据えた開発
X線イメージング検出器として、京都大、東北大と共同して
開発をすすめる
◦ 結晶の光量（東北大）×QE（ICRR）を1.5桁増やす
◦ 電場設計等、京都のリソース使う
◦ エンコーダー等読み出し回路はそのまま京都の技術使える

そして光検出器へ発展

暗黒物質探索への応用としての開発はひとりでできる
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Ar + CsI で大型two phase detector

希ガスシンチレーターの発光波長

CsIの短波長でのQE
Liquid Ar + CsI の組み合わせで暗黒物質探索
A.Breskin NIMA 371(1996) 116
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先越された!

A.Bondar et al.,
NIMA 581（2007）２４１
◦ 30mmサイズ
◦ S1/S2の分離に成功！
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
30cmGEM/μPICのモジュールをArray化すれば… 要感度見積
早稲田検出器の再利用可能？
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