TOP カウンター開発の現状

居波賢二、松村太伊知、福井謙一、川出健太郎

2007/3/22-23 学術創成評価委員会

- TOP カウンター

- 光検出器 (MCP-PMT)

- フォーカスミラー

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TOP カウンター (1) Belle 実験の測定器改良案として開発中 チェレンコフ光を利用した粒子識別装置 (/K)

改良型 Belle 測定器断面 ( 案 )

2.6m

1.2m

e-

8.0GeVe+

3.5GeV

1.5T

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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

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 )

1 次元読み出し (~5mm)時間分解能 ~40ps

~2m

K

シミュレーション2GeV/c, =90 deg.

時間

~200ps

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TOP デザイン 石英 : 255cmL x 40cmW x 2cmT

フォーカスミラー 色収差による悪化を補正

マルチアノード GaAsP MCP-PMT 5mm ピッチチャンネル , 良い時間分解能 (<~40ps)

MCP-PMT

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期待される性能 K/ 分分分分

GaAsP 光電面 + フォーカスミラー

4GeV/c まで 4 K/ 分分分分分

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R&D 項目 光検出器 (Key component)

角型 MCP-PMT 開発 マルチアルカリ光電面 寿命測定 (>5 years)

GaAsP 光電面 浜松ホトニクスとプロトタイプの製作 時間分解能の確認 (<40ps) 寿命測定

フォーカスシステム フォーカスミラーの形状精度測定

読み出し回路 Constant fraction discriminator +HV divider module

Focus Mirror

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光検出器に要求する性能

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-PMTMCP – Micro Channel Plate

直径数 m-数十 m 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

Channel

~400m

~10m

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角型 MCP-PMT (1)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 0.3mmTOP 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

SL10

省デッドスペース 角型メタルパッケージにより有効面 64%

位置情報 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 ) ～ 30

ps @B=1.5T 位置分解能 <5mm 収集効率～ 50%

Rise time ～ 400ps

時間分解能 σ ～30ps

１光子照射

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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

LED パルス (400nm, 1~5kHz, 20~100p.e./pulse) で負荷

HPK (x2)Russian

(x5)Al protection O X O X

Correction eff. 37% 65%40-60% 55-60%

Effective area 11mm 18mm

Gain 1.9x106 1.5x106 3-4x106

TTS 34ps 29ps 30-40psPhoto-cathode Multi-alkali (NaKSbCs)Quantum eff. at 400nm 21% 19% 16-20%Bias angle 13deg 5deg

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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 １年相当で 50%以下

Al保護膜あり 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

寿命測定結果 - 量子効率 (Q.E.) -

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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

急激に低下 >1013photons/cm2

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/o Al (#6)

HPK w/o Al

Russian w/ Al(#32)

HPK w/ Al

－ before－ after

=31ps=36ps

=43ps=32ps

=34ps=34ps

=29ps=33ps

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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)

GaAsP 光電面 Al保護膜あり

2 ステージの MCP 10m hole

4chアノード

基本性能テスト 時間分解能

Target structure

DISC

PLP PMT ATTN AMP DIV

TDC

ADC

FILTER

BLACK BOXDISC

λ =407nmJitter～10ps

there 100mV

36dB

there 20mV

25ps/1bin

CAMAC

START

GATE

DISC

PLP PMT ATTN AMP DIV

TDC

ADC

FILTER

BLACK BOXDISC

λ =407nmJitter～10ps

there 100mV

36dB

there 20mV

25ps/1bin

CAMAC

DISC

PLP PMT ATTN AMP DIV

TDC

ADC

FILTER

BLACK BOXDISC

λ =407nmJitter～10ps

there 100mV

36dB

there 20mV

25ps/1bin

CAMAC

DISC

PLP PMT ATTN AMP DIV

TDC

ADC

FILTER

BLACK BOXDISC

λ =407nmJitter～10ps

there 100mV

36dB

there 20mV

25ps/1bin

CAMAC

PLP PMT ATTN AMP DIV

TDC

ADC

FILTER

BLACK BOXDISC

λ =407nmJitter～10ps

there 100mV

36dB

there 20mV

25ps/1bin

CAMAC

START

GATE

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一光子照射時の出力波形 , ADC, TDC 分布

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

GaAsP MCP-PMT 基本性能

Single p.e.0.5ns/div20mV/div

pedestal

single photon peak

Gain～0.64×106

TTS～ 35ps

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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

寿命測定を開始 Q.E. の劣化が一番の問題点

Light propagation velocity inside quartz

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フォーカスシステム 色収差を直接補正するために、チェ

レンコフ角の波長依存性を利用 フォーカスミラーで角度情報を

位置情報に変換 時間と x,y の 3 次元情報からリン

グイメージを再構成 長い伝播距離を稼ぐことによっ

て、細長いミラーと読み出し面でも分離能力が良い

Focus Mirror

))(

1(cos=)( 1

βλnλθ c

ー

PMT

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Focusing TOP の分離能力 GaAsP 光電面 (+>400m filter), CE=36%

4.3 分離 at 4GeV/c

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フォーカスミラー プロトタイプを製作

40x2x2cm, R=5m 石英バー端面に接着

形状測定 連続的な鏡像となる形状か？ 測定手法の確立

Focusing mirror

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測定方法 レーザー変位計で厚みを測定レーザー変位計とは・・・　　対象物にレーザー光を投光、 CCD 上での反射光

の　　受光位置により、対象物との距離を測定する。 （本測定では正反射光を受光）

レーザー変位計の構造

　　　 利点☆測定中に動かなければ、設置の際に変位計・ bar が多少ずれて設置されていても影響無し☆測定中、 bar または変位計２つがＺ方向に振動しても、厚みは変化しない。

レーザー変位計 (固定 )

自動ステージに乗せＸ Y方向にスライド

石英 bar（可動）

Z

Y

X(1) 上下の変位計が bar までの距離を測定(2) 二つの距離の差を bar の厚み情報へ (3) ステージを X ・ Y方向に動かし、 厚みの変位を観測

　　⇒一番厚い箇所が頂点

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測定装置製作

X

Y

Z

レーザー変位計

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測定結果 平面部で装置の測定精度

を確認 =3.5m の厚み精度

曲面部の頂点位置 4.9±0.2mm のずれ

平面部を再研磨して補正

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まとめと今後 光検出器 MCP-PMT

GaAsP 光電面角型 MCP-PMT の開発 1 光子検出可能で、 ~35ps と十分な時間分解能 寿命測定を開始

アルカリ系光電面では十分な寿命であることを確認済み フォーカスシステム

フォーカスミラーの形状測定 約 5mm のずれを確認　 再研磨

今後 GaAsP 光電面 MCP-PMT の寿命測定

さらにいくつかのプロトタイプを製作しテスト フォーカスミラーの精度向上輻射体プロトタイプの製

作 エレクトロニクスの開発

AMP, CFD, TDC

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Electronics C.F.D.

Constant fraction discriminator Compact test module 8ps timing jitter: OK + MMIC AMP on board + HV divider PMT module

TAC, Backend TAC-IC, TDC DAQ interface

5cm