タウ物理のための検出器　 r&d

2004/3/9 科研費特定領域　第二回研究会

タウ物理のための検出器　 R&D

-Contents-

•Introduction

•光検出器　　 -MCP-PMT

　　 - 角型マルチアノード MCP-PMT

•まとめ

名古屋大学　 N 研M １　冨田　光俊


Belle 実験用 π/K 粒子識別装置光のﾁｪﾚﾝｺﾌ水平放出角と伝播時

間からを再構成して粒ﾘﾝｸﾞｲﾒｰｼﾞ子識別を行う

コンパクトかつシンプル- 合成石英　 ( 発光媒体 )- 光検出器　

新型リングイメージ型 /K 粒子識別装置　・・・　 Bar-TOP counter

位置・伝播時間の測定　光検出器

L=1000, W=200, T=20(mm)

Introduction


1. 　１光子検出可能

2. 　１光子での時間分解能 σ< 50ps

3. 　磁場中で使用可能 (B=1.5T)

4. 　収集効率 ≧ 50 ％

5. 　位置分解能～ 5 mm全ての要求を満たす光検出器はまだ存在しない

MCP-PMT

光検出器•　光検出器に要求される性能　


Micro Channel Plate(MCP)-PMTMCP

MCP-PMTの構造

2 次電子増幅過程MCP-PMTの特徴

直径数 μm ～数十 μm の細いガラスパイプチャンネルを多数束ねた板状構造

各ガラスパイプが独立した 2 次電子増倍部

MCP の両端に印加された電圧で電子が加速され　 MCP に衝突し、 2 次電子を放出

MCP(マイクロチャンネルプレート )

1. 高 Gain (MCP2 枚で 105 ～ 106 )2. 高時間分解能 (MCP1 枚が 1mm 以下 )3. 高磁場で使用可能 ( 垂直に磁場をかける )

飽和特性


研究目的Bar-TOP counter に用いるための光検出器の研究開発

1 ～ 5 の性能が要求される

角型リニアアレーマルチアノード MCP-PMT の開発

高い性能を示す MCP-PMT の構造

１光子照射時の Gain １光子照射時の時間分解

能収集効率

磁場中における•　仕様の異なる４種のシングルアノードの MCP-PMT の研究

オリジナル


MCP-PMT の仕様

MCP-PMT HPK6 Russia10 HPK10 Burle25型番号 R3809-U-50-

11XN4428 R3809-U-50-

25X85011-501

PMTの径 (mm) 45 30.5 52 71x71

有効光電面（mm) 11 18 25 50x50

MCPの枚数 2 2 2 2

MCP チャンネル径 D(μm)

6 10 10 25

規格長（ α=L/D) 40 43 40 40

最大の印加電圧 (V) 3600 3200 3600 2500

光電面マルチアルカリ

マルチアルカリ

マルチアルカリバイアルカリ

QE(%) (λ=408nm) 26 18 26 24

HPK6 Russia10 HPK10 Burle25


波形（磁場 =0T 、電圧は各 MCP-PMT の最大電圧）

MCP-PMT HPK6 Russia10 HPK10 Burle25

Rise time(ns) 0.3 1 0.4 0.8

１光子照射

Russia10

Burle25


ADC(0.25pC/count)

HPK6(3600V)

HPK10(3600V) Burle25(2500V)0.8T

Russia10(3200V)

ADC 分布

HPK6 :PHR=140%(0T) →60%(1.5T)Russia10 :PHR=147%(0T) →71%(0.8T)

１光子分布

(pedestal : 100 count)

波高分解能 (PHR)


ADC v.s. TDC (B=1.5T)

TD

C(2

5ps/

cou

nt)

ADC(0.25pC/count)

補正後の TDC 分布

補正後の ADC vs TDC

HPK6(3600V)

HPK10(3600V)

Russia10(3200V)

Burle25(2500V) (0.8T)


磁場　 v.s. 　 GainG

ain

B(T)

0 0.4 0.8 1.2 1.6 0 0.4 0.8 1.2 1.6

0 0.4 0.8 1.2 1.6 0 0.4 0.8 1.2 1.6

10

10

10

7

6

5

10

10

10

7

6

5

10

10

10

7

6

5

10

10

10

7

6

5

•　 HPK6 、 Russia10 : 高磁場中でも 106 の高 Gain•　 Burle25 : 磁場 1.0T 以上では Gain が低下　　　測定不可能

Russia10(3200V)

Burle25(2500V)


磁場中における 2 次電子の MCP チャンネル内での運動

■ 電子はローレンツ力を受け、軌道が曲げられる■ 電子の飛び出すエネルギーは 3[eV] を用いた ( 磁場＝ 1.5T でのラーモア半径≒ 3.9[μm])

HPK6 ・・・ 6μm(0T)

5.1μm(1.5T)

85%

burle25 ・・・ 25μm(0T)

9.7μm(1.5T)

40%

•平面上の電子軌道

チャンネル径：大　　　　加速距離の減少大

衝突エネルギーの減少大

MCP のチャンネルを上から見た図

MCP のチャンネルを横から見た図

加速距離


2 次電子の衝突エネルギー衝突エネルギーは MCP からの 2 次電子放出数に関係

Burle25： 1.0T 以上で 20eV 以下！！

電子が MCP に衝突し、 2 次電子を放出する最低エネルギーは 20eV

1.0T 以上では電子増幅が起こらず測定できない ( 実験結果と合致 )

10磁場 vs 衝突エネルギー

10

10

7

6

5

0 0.4 0.8 1.0 1.2 1.6 B(T)

Gai

n

0 0.4 0.8 1.2 1.6 B(T)

E(e

V)

20

40

60

0

Burle25(2500V)

高磁場中ではチャンネル径の小さい MCP-PMT が有効


磁場　 v.s. 時間分解能

B(T)

時間

分解

能(p

s)

0 0.4 0.8 1.2 1.6 0 0.4 0.8 1.2 1.6

0 0.4 0.8 1.2 1.6 0 0.4 0.8 1.2 1.6

80

60

40

20

0

80

60

40

20

0

120

80

40

0

120

80

40

0

HPK6 、 Russia10(0 ～ 30 ) ：高 Gain 　　 30 ～ 40ps の高時間分解能　　　　　 Gain が低下している測定点　　時間分解能が悪化

° °

Russia10(3200V)

Burle25(2500V)


Gain vs 時間分解能　　　■電圧、磁場、角度を変えて測定した全てのデータ

0

20

40

60

80

100

120

106105 107 Gain

時間

分解

能(p

s)

40ps以下の高時間分解能を得るためには、 106 以上の Gain が必要

Russia10

Burle25


収集効率

　同じ光量で測定し比較することにより収集効率を導出

基準 PMT:

•開口率・・・ MCP表面の全面積に対するチャンネルの開口面積の比率

•Al膜・・・・イオンフィードバック防止のために MCP表面にある (透過率 60%)

●収集効率に関わる点

量子効率、収集効率ともに既知で 1 光子の信号とノイズが

分離できる PMT 、 H3171-04 （ No.LA9806 ）を使用

MCP の表面 :


HPK6(開口率 60%,Al膜有 )

HPK10(開口率 60%,Al膜有 )

磁場 (0T～ 1.5T) 平均収集効率 (%) 35.5

磁場 (0T～1.5T)

平均

収集効率 (%) 44

磁場 (0T～ 1.0T) 平均収集効率 (%) 30.3

磁場 (0T～ 0.2T) 平均収集効率 (%) 30.5

収集効率ー結果ー

開口率 (%) 　収集効率(%)

Al膜がなく、開口率 50%以上のMCP-PMT

Russia10( 開口率 40%,Al膜無 )Burle25( 開口率 30%,Al膜無 )

（ Al膜無し）


角型マルチアノード MCP-PMT

仕様の異なる４種の MCP-PMT を用いて、磁場中での性能について研究

■ 高磁場中ではチャンネル径の小さい MCP-PMT が有効■ ～ 40ps の高時間分解能を得るためには 10 以上の Gain が必要■MCP表面の Al膜を除くことにより、収集効率が向上する

6

光検出器に要求する性能

•磁場に対する耐性からチャンネル径を 10μm 以下•高時間分解能を得るため Gain を 106 以上•MCP表面の Al膜無し、開口率を 50% 以上

(1)1 光子が検出可能 (2) 高時間分解能≦ 40 ～ 50ps

(3)1.5T の磁場中で使用可能 ( 角度付 )(4) 収集効率≧ 50 ％

(５ ) 位置分解能

リニアアレーのマルチアノード+


今回浜松ホトニクスと共同開発した MCP-PMT

角型マルチアノード MCP-PMT 開発

5.3mm


角型 MCP-PMT の構造の特徴MCP のチャンネル径 10μmMCP の厚さ　　　　　　　 400μm 　MCP-MCP 間 30μmMCP 枚数　　　　　　　　 2 枚最大印加電圧　　　　　 3.5kVリニアアレーの 4 チャンネルアノード PMTMCP 開口率　　　　　　　 60%MCP表面の Al膜 ( イオンフィードバック防止 ) なし有効光電面の領域　 72% 光電面　　マルチアルカリ ( 最大 QE:19.5%, =350nm)

) Gain, 時間分解能

Dead space の減少

27.5mm

27.5mm

概観

収集効率)

角型マルチアノード MCP-PMT 仕様

位置分解能


500ps

20mV

波形

Rise time ～ 400ps

１光子照射 ADC分布

１光子分布

Gain ～ 2x106

pedestal

25p

s/b

inTDC分布

基本性能　 (B=0T,HV:3.5kV)

0.25pC/bin

σ～ 30ps


磁場に対する Gain,TTS最大電圧（ 3.5kV) では、 B=1.5T でも１０以上の Gain が得られる10 の Gain が得られれば磁場に対して時間分解能が悪化する振る舞いは見られない

B v.s. Gain , 時間分解能

6

6

-- 3.1kV-- 3.2kV-- 3.3kV

-- 3.5kV-- 3.4kV

HV


角型マルチアノード MCP-PMT の性能

B(T) 0 1.5

Gain 2x106 1.5x106

時間分解能 (ps) 29 30

収集効率 (%) (QE=0.18) 56%

•Gain , 時間分解能 , 収集効率　（１光子照射）

TTS～ 34psGain～ 2x106

4 チャンネル全てで同じ性能が得られる

チャンネル間の性能のばらつき


まとめ

1. １光子検出可能2. １光子での時間分解能 σ～ 30ps3. 磁場中で使用可能 (B=1.5T)4. 収集効率 ≧ 50 ％5. 位置分解能～ 5 mm

・ TOP counter 用のリニアアレーマルチアノード MCP-PMT を　開発し、性能評価を行った。

今回開発した角型マルチアノード MCP-PMT は期待通りの性能を示した

•仕様の異なる４種のシングルアノード MCP-PMT の、磁場中での性能につ　　いて研究

チャンネル径を 10μm 以下Gain を 106 以上MCP表面の Al膜無し、開口率を 50% 以上


Back up


波高分解能の向上•無磁場、磁場中での MCP 中の 2 次電子流

●無磁場　　　広がり大

●磁場中　　　広がり小

少数のチャンネル

飽和特性

波高分解能向上

•無磁場 •磁場中


HPKco. PLP　波長　　 408nmジッター　 <±10ps

AMPHPKco. ampGain 　･･･ 36dB　　　　　 ( ～ 63 倍 )

CAMAC moduleADC ･･･ 0.25pC/countTDC ･･･ 25psec/count

１光子照射（基準球）

SET UP ＠ KEK-PS

ADC

1 光子 peakpedestal


Al膜が無い Russia10は高 Gain、高時間分解能

収集効率ー考察ー

HPK6、 HPK10 ： Al膜が蒸着Al膜の透過率～ 60%、開口率 60% 　収集効率～36%

Al膜が収集効率を低下させる

●光検出器に要求する性能 (4) 収集効率≧ 50%

Al 膜が蒸着されている場合、開口率が 80% 以上必要 : 不可能

Al膜蒸着がなく、開口率 50%以上のMCP-PMT

（イオンフィードバックによる悪影響はない）


HPKco. PLP(C4725)波長　　･･･ 408nmjitter 　　･･･ <±10psPulse 幅･･･ <50ps

AmpHPKco. Amp(C5594)Gain 　･･･ 36dB帯域　～･･･ 1.5GHz

CAMACADC ･･･ 0.25pC/countTDC ･･･ 25psec/count

１光子照射2ch SPOT 照射 (Φ1mm)

Set up@HPK


ラーモア半径

B=1.5T

ラーモア半径 ~3.9μm(3eV)

ラーモア半径


MCP(Micro-Channnel Plate)

10μm の細いガラスパイプの集合体ガラスパイプそれぞれが独立した二次電子増倍器

あるチャンネルに入った電子は必ず同じチャンネルから出る

磁場の有無とは無関係に位置分解能がある

位置分解能の原理


2ch, 　 SPOT, 1 光子照射 (Φ1mm)

他 chへの signal のしみだしは見られない。( 磁場 :0,0.5,1.0,1.5T)

磁場に依存せず位置分解能がある。

磁場に対する位置分解能位置分解能は 5mm以下（アノードのチャンネルサイズ )

0T

1.0T1.5T

0.5T

位置分解能


■HV:3400V ,１光子照射チャンネル間に性能のばらつきはない。

どのチャンネルでも同じ性能が得られる

Gain～ 2x106

ch vs Gain

TTS～ 34psec

ch vs TTS

チャンネル間の性能のばらつき


イオンフィードバックの影響

アフターパルス

光電子増倍管内の残留ガスが電子によりイオン化され、この内の陽イオンが光電面に戻ること ( イオンフィードバック ) により多数の光電子を発生させる。

(通常、本信号から数十 ns ～数 μs遅れる )

今回の PMT も複数光子照射すると、約十 ns にアフターパルスが見える。

しかし、 1 光子照射では新品であることもありアフターパルスは見えない。

(原因がイオンフィードバックかは分かっていない )

時間分解能に悪影響はない

イオンフィードバックについて


2ch3ch

gain

(0.2

5pC

/cou

nt)

角型マルチアノード MCP-PMT2ch の gain

•ch 以外の所に光が入射　 -L16同様電荷が検出

•ch 上に光が入射　 -10 カウント以内 (XY方向 )

X(mm)0 1 2 3 4 5 6

10

20

30

40

Δgain X方向：～ 10countY方向：～ 2count

増幅電子が 2 つのアノードにまたがって検出

カソード

MCP

アノード

クロストーク


カソード

MCP

角型マルチアノード MCP-PMT2ch の TDC の RMS と TDC-mean

• RMS は場所によらず 0.5count 以内•カソード、 MCP 間の距離が一定 →TDC-mean の場所によってのふらつき小（～ 2count ）

RM

S(c

ount

)

X(mm)0 1 2 3 4 5 6

チャンネル全体で時間分解能は変化なし (spot: ～ 35psec, all: ～ 35psec)

0.5count

TD

C-m

ean(

25ps

ec/c

ount

)

0 1 2 3 4 5 6X(mm)

1730

1732

1728

1734

1736

3

4

5

2count


今後の課題

S 　　本信号の pulse-height 　　　　　　　　　N　　 Cross-talkの pulse-height　 = = 750mV

150mV = 5

Cross-talk が本信号に対して、非常に大きい。

今後の課題

・ Cross Talk


Cross-talk

本信号のﾊﾟﾙｽﾊｲﾄ信号のｸﾛｽﾄｰｸﾊﾟﾙｽﾊｲﾄ

クロストーク波形の特徴本信号に対して極性

が反転全てので発生ﾁｬﾝﾈﾙ S/N ～ 3 – 5

S/N 　 = 　

PMTあたりの光量を増加（～数光子）

本信号と他から生じるが同時に発生する確率ﾁｬﾝﾈﾙｸﾛｽﾄｰｸ増加

一光子に対応する ADC count での時間分解能の悪化 (30psec→70psec→90psec)

今後の最重要課題

全面照射時


Cross-talk②原因調査

I(t)=RI+ 　 +L 　　 =V0C

Q

dt

dI

R2 <4L/C の時、振動解

I(t)= 　　 exp( 　　 t)sin( 　 t)β

2V0

2L-R

2Lβ

(β= (4L/C)-R2 )

原因①

R:読み出し回路系のｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽ (50Ω)L：電源供給ラインのピンによるｲﾝﾀﾞｸﾀﾝｽ ( ～ 50nH)C:MCP 二段目 out- 間のｱﾉｰﾄﾞｷｬﾊﾟｼﾀﾝｽ ( ～ 1pF)

により (1) の経路で RLC 回路を構成

原因②Signal 出力時に MCP 二段目 out 全体が (a)式の解で振動

-(a)

発生の根本となるｸﾛｽﾄｰｸ致命的な部位

式 (a) にを代入した時の計算にﾊﾟﾗﾒｰﾀよる波形の再現ｸﾛｽﾄｰｸ


Cross-talk③対策

の完全除去に挑戦ｸﾛｽﾄｰｸL,C を完全に無くすことは不可能 (原因① )

各 Ch で MCP蒸着電極とブリーダ回路を分割 (原因② )

他のにﾁｬﾝﾈﾙ Signal による電位の振動が伝わらない

完全除去！！ｸﾛｽﾄｰｸ

現在試作・性能試験中

-課題 -隣り合う間・ｱﾉｰﾄﾞ MCP 電極間のｷｬﾊﾟｼﾀﾝｽ各共通なﾁｬﾝﾈﾙ HV供給源によりが有意に起こる可能性があるｸﾛｽﾄｰｸ

今後より深い考察と回路が不可欠ｼｭﾐﾚｰｼｮﾝ

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