XMASS実験のための低バックグラウンドPMT開発A

およびガスPMT開発B

次世代光センサーに関するワークショップ

KEK 2005年12月27日

A,B関谷洋之AXMASS Collaboration

東京大学宇宙線研究所

神岡宇宙素粒子研究施設

γXenon MASSive detector for solar neutrino (pp/7Be)Xenon neutrino MASS detector (ββ decay)Xenon detector for Weakly Interacting MASSive Particles (DM search)

XMASS実験液体Xeを用いた多目的非加速器実験 暗黒物質探索がまずは主目的

光電子増倍管

自己遮蔽の為の体積

有効体積液体Xe

液体Xeシンチレータ(z=54)によるγ線BGの自己遮蔽

SuperK, Kamlandのように fiducial volume cut

Xe (31cm)3

MgF2 window

low BG PMT×54本1６％ photo-

coverage

γ現状その１30×30×３０cmのプロトタイプ

高純度の銅製チェンバー

（死角をなくすためのテフロン）

3kgの有効体積

SK近くの2700mweの地下の遮蔽体

Key device:Hamamatsu R8778

γHamamatsu R8778 Xe用、低温、低バックグラウンド仕様PMT

窓材 ：石英面板光電面：バイアルカリ（165Kで175nm用）

Q.E. 24-30%を実現ダイノード：ボックスライン12段

素材を一つ一つGeで吟味金属側管PTFE基板、PTFE同軸シースブリーダー抵抗、コンデンサーも特選品

Ｕ

（Bq/PMT)

Ｔｈ

（Bq/PMT)

Ｋ

（Bq/PMT)

Ｒ８７７８

従来品

１．８×１０-2 ６．９×１０-３ １．４×１０-１

６．１×１０-１５．０×１０-１ １．２×１０-2

従来の低BG製品（ガラスバルブ）より一桁低い！

0

50

100

150

200

250

300

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000time(sec)

tempe

ratur

e

0

100

200

300

400

500

600

7000 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Tem

pera

ture

[K]

200

400

600

0

100

150

200

250

300

50

Rat

e [H

z]

0 2000 4000 60000

Time (sec)

光電面温度

Ｔｅｍｐ．ＰＭＴ上

Ｔｅｍｐ．ＰＭＴ下

Rate[Hz]0

50

100

150

200

250

300

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000time(sec)

tempe

ratur

e

0

100

200

300

400

500

600

7000 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Tem

pera

ture

[K]

200

400

600

0

100

150

200

250

300

50

Rat

e [H

z]

0 2000 4000 60000

Time (sec)

光電面温度

Ｔｅｍｐ．ＰＭＴ上

Ｔｅｍｐ．ＰＭＴ下

Rate[Hz]

200

400

600

0

100

150

200

250

300

50

Rat

e [H

z]

0 2000 4000 60000

Time (sec)

光電面温度

Ｔｅｍｐ．ＰＭＴ上

Ｔｅｍｐ．ＰＭＴ下

Rate[Hz]

γ050

100150200

3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000time(sec)

tem

pe

0250500750100012501500

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

160 180 200 220 240 260 280 300

R8778 低温特性(１８０K)

温度

1.p.e peak ADC

温度

Dark Rate signal

1

10

10 2

10 3

0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000

IDEntriesMeanRMS

400 20000

214.6 300.1

0 1000 2000 3000 4000

1 p.e ADC 分

285KにくらべQ.E.×ゲイン

18％上昇ダークレート

28％減少

γ現状その２

1

10-1

10-2cp

d/kg

/keV

0

1

10-1

10-2

cpd/

kg/k

eV

1000 2000 00 3000 1000 2000 3000energy(keV)

All volume20cm FV10cm FV

Data MC測定時間3.9日

(PMT中のU,Th,Kなど)

PMT由来の放射線バックグラウンドがかなりの部分を占める。

γ現状その２

800kg（fiducial 100kg）の自己遮蔽の検出器で、PMT 由来の放射線バックグラウンドを1/10にすれば、MSSM領域に踏み込める。（現状のPMTでもこれまでの実験の30倍の感度）Xe中のAr,Kr,Rn,Xeの放射性同位体の影響はそれ以下になる見通しあり。

８００ｋｇ（Effective１００ｋｇ）10

-5

10-4

10-3

10-2

10-1

0 50 100 150 200 250 300energy (keV)

even

t rat

e (k

eV-1

kg-1

d-1 )

0 100 200 300エネルギー [電子相当keV]

事象

率[個

kg-1

keV

-1da

y-1 ]

1

10-2

10-4

中心部直径40ｃｍ(外縁部厚さ 20cm)有効質量100ｋｇ

CDMSII実験(ゲルマニウム)のバックグラウンド

暗黒物質の信号 10-44cm2, 100GeV10

-5

10-4

10-3

10-2

10-1

0 50 100 150 200 250 300energy (keV)

even

t rat

e (k

eV-1

kg-1

d-1 )

0 100 200 300エネルギー [電子相当keV]

事象

率[個

kg-1

keV

-1da

y-1 ]

1

10-2

10-4

中心部直径40ｃｍ(外縁部厚さ 20cm)有効質量100ｋｇ

CDMSII実験(ゲルマニウム)のバックグラウンド

暗黒物質の信号 10-44cm2, 100GeV

γ次期800kg検出器にむけて

×１２モジュール

１ｍ

Total 840PMTs Photo coverage ～70%Radius to inner face ～

注： 現在のデザイン

γR8778MOD(hex)

12cm

5.4c

m5.

8cm

(窓外側

)

0.3cm(rim)

試作品

六角形Quartz 有効面積50mmφ(min)

0.01

0.10

1.00

10.00

100.00

160 260 360 460 560 660 760

Wavelength [nm]

Pho

toca

thod

e R

adia

nt S

ensi

tivity

[mA

/W]

Qua

ntum

Effi

cien

cy [%

]

Quantum Efficiency

Quantum Efficiency

更なる低バックグラウンド化をめざすために。。。

γ全部品を「洗い直し」

γ全部品を「洗い直し」

c.f. R8778U 1.8±0.2x10-2 BqTh 6.9±1.3x10-3 Bq

40K 1.4±0.2x10-1 Bq

神岡地下のGe検出器で測定進行中

γ開発の見通し

ダイノードのセラミック絶縁支え

U: (7.9 +/- 0.2)×10-3 Bq/PMT Th: (3.1+/- 0.2)×10-3 Bq/PMT 40K: (1.2 +/- 0.1)×10-2 Bq/PMT

側管Th : (7.34+/- 5.8)×10-5 Bq/PMT 60Co: (4.1 +/- 0.4)×10-3 Bq/PMT

ガラス製ステム

40K

解決策の方針はありますが。。。

γ別の戦略計画そもそも、ダイノード.構造のセラミックとかステムガラスが問題。はじめから、それらがないものにすればいい。

H8500とか、メタルチャンネル構造のMAPMTをベースに低バックグラウンド化をすすめるのも一案。GEMなどのガス増幅器を用いれば、材料は基本的にポリイミドと銅だ

けなので低バックグラウンド化が可能で、さらにもっと安く位置感度を持った大面積光検出器を実現できる可能性がある。

バイアルカリ光電面のガスPMTはStability の問題があって難しそうだが、はじめからXe用の紫外（178nm）でよければCsIなどの安定な光電面が使えるのではないか？ （137Cs？、半減期短いし。。。）低温できちんと動作するか？とりあえず、京都大学のμPIC と読み出し回路が使えるので利用して

やってみる。しかし４００μｍの読み出しは牛刀なので、もっと安いGEMストリップなどの開発もしたい。

以後、実現可能性について個人的なプロポーザル（皮算用）として話します。

γガス増幅型光検出器すでに、MWPC、MicroMegas、CP、GEMなどのMPGDと光電面を

組み合わせていろいろなされている

基本概念

光電面

センサー部分は大面積増幅部分は薄く、小体積磁場中でも使用可能nsでの応答Sub mmでの位置分解能

安くて、大面積なものがみんなほしい

γガスPMTの問題点１特に、高レート環境下でのPhoton/Ion feedback

Photon feedback

Ion feedback

解決策多段化する（ゲイン稼ぐ意味でも）

この方式がデファクトスタンダードになりつつある。

γ解決例

パラメーターが多すぎて系統的に実験するのが難しいStabilityの問題からも多段にしたくない。冷却するとフィードバック増える

(GEM間のイオンのMobilityがよくなる)

A.Berskin et al., NIMA 478(2002) 225

読み出し回路なさそう！

嫌な点

γここでの提案μPIC＋GEM型の増幅機構

CathodeAnode

400μm

100μm50μm

2-D イメージ検出器400μm ピッチの電極位置分解能 ～120μmガスゲイン ～104

大面積 (PCB 製造技術)

Key Device１: μ-PIC

140μm70μm

渕上ミクロ製東大CNS型プラズマエッチング

Key Device2: GEM

×１００

×１００００

京都大学

γ

The gain increased 50%for 120h

120h

µ-PIC 6% for 70h

0 70Time[h]

gas g

ain

Hamagaki, CNS Univ. of Tokyo

提案の根拠1

γ提案の根拠2μPIC＋GEM型の増幅機構

105

104

gas g

ain

GEM Voltage[V]

Total GainGEM Gain

μ-PIC gain fixed

Ar 90% C2H610%

１０ｃｍ×１０ｃｍサイズ（＋TPC)

GEM Max Gain ～300

すでに動作実績＠ガスゲイン１０５

アンプのダイナミックレンジ不足１０６あったらアンプ要らない

京都にて

γ提案の根拠3μPIC＋GEM ガスゲイン 10000

京都にて

Ar 90% C2H610%MIP(1.5MeVcm2/g)

トラックが取れている。

Ar W＝26.4eV, 密度＝1.78kg/m3

1strip(400μm)あたり3.8e- 生成されている

(×1.62×10-19×10000=6fCを見ている）

106ゲインがあれば1e-は十分可能だろう！

CsI 仕事関数5.9eV量子効率～30%

γ

GEM gas gain

Frac

tiona

l Ion

Fee

dbac

k

GEM なしだと30%µ-PIC 30% ×GEM 30%=total10%になっている。

提案の根拠4Ion feedback K. Hattori et., al 2005 PSD7

京都にて

Fractional ion current ID/IAID : the ion current on the drift plane

GEMのガスゲインを１０程度で１０％まで低減！

IA : the electron current on anodes of µ-PIC

γガスPMTの問題点２特に可視光感度光電面の安定性

A. Breskin et al., NIMA 513 (2003) 250など

3GEMs K-Cs-SbphotocathodeAr/CH4(95:5) 24日後 35日後バイアルカリは化学反応しやすい特に酸素と

密封？型

γ解決例CsI-coated K-Cs-Sb

@312nm

E.Shefer et al., NIM A(1998) E.Shefer et al., NIM A(1999)

バイアルカリ単体よりもだいぶ酸素に強い量子効率は低い

γここでの提案はじめから175nm狙いのCｓI

Bersikin et al., NIMA 442(２０００)５８

A.Breaem et al., NIMA 515(２００3)307

空気にさらしても、そんなに劣化しない

数年以上持つ

γここでの提案175nm狙いのCｓI 製造方法は？

Ring Imaging CherenkovDetector 用として、大面積CsIFilm の製造法が確立しつつある。

Thermal EvaporationBeam Ion Sputtering

100nm Thick CsI のQE

蒸着がよさそうだ！

M. Nitti et al., NIMA 553(２００5) 157

γここでの提案厚みは？

F.Cusanno et al., NIMA 502(２００3) 258

適度に厚いほうがよさそう。

Atomic Force microscopy

100nm

350nm

PCB 上

Quartz 上

γ提案のオプション透過型、反射型？ 透過型

反射型

反射型の場合GEMの製造法も検討せねば

γ提案のオプションCsIコートのGEM製造法

SauliたちはできたGEMに自分たちで蒸着してやっているみたい。NIMA 535(2004) 324

γ冷やして大丈夫かGEM多段は均一な電場中のイオン易動度があがってフィードバック大

CsIのQEはArでは大丈夫そう。

Aｒ177K

A.Bondar et al.,NIMA５３５(2004)299

Ar+CH4

He+H2Xe

L.Periale et al.,NIMA５３５(2004)517

γ目標まずはArで確実に動くものを！

~2.5m

２０t XMASSfor solar ν

double beta decayでXeガスで動かす

HKにも？

γまとめ液体Xeを使った暗黒物質探索実験XMASS用に超低バック

グラウンドPMTを開発している。

すでに、これまでよりも放射性不純物が少ないものが完成し、XMASSに限らず、暗黒物質探索用として普及しつつある。

さらに一桁少ないPMTを開発中であり、次期８００ｋｇ検出器に搭載予定。

将来の10ｔクラスの検出器には低バックグラウンドで、低コストなものが必要で、一案として、MPGDの利用を考えてみた。是非ともやってみたいので、よろしくおねがいします。

γおしまい

γHamamatsu H85008×８ Multianode

6mm pixel pitches

12 stage metal channel dynode

Gain ～10６＠-1000V

Rise time 0.8 ns

Photo Cathode Coverage 89%

Cross talk (w/o optical) 3%

５０ｍｍH8500 Specifications

Anode uniformitymin : max = 1：2.6

Anode Gain Map (S/N ZA3115)

γEvery 64ch read-out with ASICs

TA32CG2

Head Amp+FADC module CP80068 ( by Clear Pulse Co. Ltd.)

H8500

pre-amplifier (dynamic range ～15pC)shaper (gain 118mV/pC, peaking time 2us)sample & hold

Fast shaper (peaking time 75 ns) discriminator

32ch 0.8um CMOS ASICs (by IDEAS ASA)VA32_HDR14

164usec/64ch to read out

FADC self triggermultiplex

wired OR

γLarge Area Detector16cm × 16cm 8×8×3×3 GSO array

Coverage81％

内部バックグラウンドに対する見通し

• U/Thのラドンに関しては、800kg検出器におけるBi-Poの解析により確認したい。(10-16g/g~0.1ev/day/1ton) 除去方法も検討中

• Arに関しては、要求度がそれほど高くない（今後測定の予定）

• Krに関しては、あと二桁の改善で到達可能。蒸留による良い見通しがある。ただしガス分析測定の感度上昇が必要。

• 136Xeについては800kg検出器でも確認が困難（検討中）。

内部バックグラウンドの要請

U/Th: < 1x10-16g/g for U,Th/Xe39Ar (0.57MeV b), 42Ar (0.6MeV b) < 1x10-9g/g for Ar/Xe

85Kr (0.687MeV b) < 4x10-15g/g for Kr/Xe136Xe 2nbb ( t 1/2 theory=8 x 1021 yを仮定) < 1/100 自然存在比

もっといい性能を！GEM＋μPIC

electroncloud

drift plane

GEM

μ-PIC

Cu(5μm)

ポリイミド(50μm)

GEMの増幅率は圧力にあまり依存しない！

140μm70μm

GEMと組み合わせゲインや閾値改善！

渕上ミクロ製

Operation with GEM in 150Torr

Ref. K. Hattori’s talk

For changing the gas gain

GEM

Ar-C2H6(90:10)150Torr CF4 150Torr

μ-PIC(HV fixed)

Operation point Operation point

H. SEKIYA 7th International Conference on Position Sensitive Detectors Liverpool 15 Sep.

2．Q.E×ＧＡＩＮ低温特性

＋

175[nm]VUV光に対してのQ.E温度特175[nm]ＶＵＶ標準光源を使

GAS-Xe chamber 241 Am α線源

ＳＥＴ Ｕ

・光電面・側管上・側管下・

Gas.Xe chamber

温度

コールドトラッ

＜ 概略

・アウトガスなどがＰＭＴに付着するのを防ぐ

Long-term gas gain stability

The gain increased 50%for 120h

120h

µ-PIC 6% for 70h

0 70Time[h]

gas g

ain

Hamagaki, CNS Univ. of Tokyo

Setup

GEM

μ-PIC

10MΩ

-HV

-HV

10MΩ

drift plane5MΩ

-HV

7.5mm 0.5kV/cm

5mm 2kV/cm

How to glue a GEM

weight

G10 frame

Glued withepoxy(Araldite)

GEM

agingIn dry nitrogen gasΔVGEM～500V

XMASS実験のための�低バックグラウンドPMT開発A�および�ガスPMT開発B次期800kg検出器にむけて R8778MOD(hex)全部品を「洗い直し」全部品を「洗い直し」開発の見通し別の戦略計画 ガス増幅型光検出器 ガスPMTの問題点１ 解決例 ここでの提案提案の根拠2提案の根拠3ガスPMTの問題点２解決例ここでの提案ここでの提案ここでの提案提案のオプション提案のオプション冷やして大丈夫か目標 まとめ おしまいHamamatsu H8500 Every 64ch read-out with ASICsLarge Area Detector 内部バックグラウンドに対する見通しOperation with GEM in 150Torr Long-term gas gain stabilitySetup