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144 ch マルチアノードHAPDの 開発研究

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144 ch マルチアノードHAPDの 開発研究. イントロダクション 光検出器への要求 HAPDの動作原理 144 ch マルチアノードHAPDの仕様 性能測定方法 多チャンネル同時読み出しシステム まとめ 今後. 名古屋大学理学研究科   馬塚優里. イントロダクション. エアロジェル RICH(Ring Image CHerenkov) カウンター. Belle 実験用新型 K/π 識別装置 コンパクトな設計 シリカエアロジェル 光検出器 チェレンコフ光の放出角の情報で k/π を識別. 8 GeV e -. e + 3.5 GeV.

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Presentation Transcript
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144chマルチアノードHAPDの 開発研究

イントロダクション光検出器への要求HAPDの動作原理144chマルチアノードHAPDの仕様性能測定方法多チャンネル同時読み出しシステムまとめ今後

名古屋大学理学研究科

  馬塚優里

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イントロダクション

エアロジェルRICH(Ring Image CHerenkov)カウンター

  • Belle実験用新型K/π識別装置
  • コンパクトな設計
  • シリカエアロジェル
  • 光検出器
  • チェレンコフ光の放出角の情報でk/πを識別

8 GeV e-

e+3.5 GeV

エアロジェル

輻射体(1~2cm)

従来の閾値型チェレンコフ検出器

光子

K/π

Up

リングイメージ型検出器

位置分解能のある光検出器

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RICHの性能

角度分解能 ~14mrad

検出光子数 ~6個  

これまでの開発経緯

エアロジェルの透過率向上 検出光子数~1.5倍に4×4フラットパネルPMT(H8500) 有効面積~89%

2004

性能向上のためのスタディマルチラディエーターの性能評価

6×6マルチアノードPMT(R5900-M16)有効面積~49%

2003

エアロジェルを複数枚用いて角度分解能を悪化させずに光子数を増加

Systematic study完了

2002

基本原理の確認

2001

2000

イメージインテンシファイアでとらえたチェレンコフリング

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光検出器への要求
  • 1光子検出可能
  • 5mm程度の位置分解能を持つ
  • 有効面積比が大きい
  • 1.5Tの磁場中で使用可能

HAPD

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Hybrid Avalanche Photo Detector

BELLE エアロジェルRICH用 HAPD

LHCbで使用予定のHPD

真空管+avalanche photodiode、近接型

真空管+photodiode、静電場でfocus

Pixel APD

  • HV Gain のみ (~103)
  • 磁場中で使用不可能
  • HV + Avalanche Gain (~104)
  • 高Gainの獲得が可能
  • 磁場中で使用可能

エアロジェルRICH用光検出器として開発中

144 ch hapd
144ch マルチアノード型 HAPD

74mm

144-□4.9mm

浜松ホトニクス社と共同開発中

  • 光電面材質 : マルチアルカリ
  • 有効面積 : 64×64 [mm]
  • APD数 : 2×2 (Chip A,B,C,D)
  • チャンネル数 : 144ch (6×6ch / 1APD)
  • チャンネルサイズ : 4.9×4.9 [mm]
  • チャンネル間ピッチ : 0.6 [mm]
  • 有効面積比 : 65 %

B

C

A

D

1chip=36pixel

144 channel HAPDの外観

slide7
性能評価のセットアップ

アパーチャー

  • 2D方向にscanning可能なステージ
  • スポット光~200mm

HAPD

PLP

電流計

レンズ

可動ステージ

測定項目

  • HV Gain、 avalanche Gainの測定
  • パルス測定 (CAMAC使用)
  • Uniformity 測定

  (全読み出しチャンネルを短絡して測定)

  • 位置分解能、クロストークの測定

(読み出しチャンネルを固定して測定)

HAPDのマルチアノード光検出器としての基本性能を評価する

hv avalanche gain
HV、avalanche Gainの測定結果

Avalanche Gain

HV Gain

●Chip A

■Chip B

▲Chip D

●Chip A ch22

■Chip B ch22

▲Chip D ch22

Leak current

APD Bias 耐圧 : 328V (Chip A)

349V (Chip B)

415V (Chip D)

HV Gain : 1300 ~ 1900 ( 9 kV印加時)

Avalanche Gain : 40 (Chip D に400V印加時)

Total ~ 5×104

APDの個体差が大きい

slide9

Mean

S/N = = 9.3

1光子検出可能!

s(1photon)

パルス測定

1光子照射時のADC分布

Chip B

HV : 8.5kV

Bias : 305V

1光子照射時の出力波形

10mV

Mean = 68.0

σ(1photon) = 7.3

Pre-amp : CLEAR PULSE 580K

Shaping-amp : ORTEC 672  を使用

uniformity 1

Chip B

Uniformity(1)

Chip B の全面をscan (pitch : 1mm)

出力電流のUniformity

光電面のUniformity

[mm]

[mm]

[mm]

[mm]

X,Y軸はPhotonの入射位置

QEが局所的に低い

<QE> = 8%

uniformity 2
Uniformity(2)

Total Gain のUniformity

[mm]

Total Gain

HAPD出力電流

光電面のUniformity

HV Gain + avalanche Gain

  • HV Gain (8.5kV) : 1700
  • Avalanche Gain (305V) : 5
  • ~ Total Gain : 8500

Gain (Min)

= 70%

Gain (Max)

[mm]

ピクセルごとのAvalanche Gainの差が大きい

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クロストーク

読み出しチャンネルに誘起される電流量

(X,Y軸はphotonの入射チャンネル)

5%

4.2%

2.8%

2.7%

隣接チャンネルで 3~5%

その他チャンネルは2%以下

[ch]

[ch]

slide13
位置分解能(1)

管の内側

管の側面側

  • x軸方向の読み出しチャンネルを 固定し、0.1mm pitch で光源を動かす
  • 横1列分(6チャンネル)を測定

ch2

ch3

ch4

ch5

ch6

I[A]

y

4.9mm

Chip B

x

位置分解能 : 約5mm

(側管付近を除く)

ch1

最も側管に近いチャンネルだけは正常に反応していない

光を照射している位置

slide14
位置分解能(2)

光子

HV印加時に

入射窓と金具部分は同電位

同電位

入射窓

光電面

金具

側管付近の電場が歪む!

側管付近に入射した光子から

生成される電子はその軌道を

曲げられてしまう

セラミック

電子

磁場中(1.5T)で動作させることによって回避できる。

検証の必要あり

channel system
VAを用いた多channel読み出しsystem

VAチップ

  • 各チャンネル入力ラインにそれぞれcharge amp、shaper、sample&hold回路
  • 多channelの信号が1channelにシリアル化されて出力
  • K2K用に開発されたものを利用

VAボード

  • 1boardにVA 2chip(裏と表)  1chipにつき32ch.
  • これをHAPD用に2board用意(全128ch.)
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VAを用いたパルス測定

VAボード

VME

1ch.にスポット照射ADCカウントの負側にsignal出力HV:-8kV,Bias:315V

DAQボード

clock

LED

PC

HAPD

GATE

接続ボード

1光子照射時のADC分布

~3

VAを用いてHAPDの1光子検出可能!

実際にビームを当てて チェレンコフ光を観測

結果は現在解析中

slide17
まとめ

エアロジェルRICHのための光検出器

144chマルチアノード型HAPDの性能評価を行った

  • 基本測定の結果

Gain : 1300×40=5×105, 1光子検出可能 (S/N = 9.3)

  • Uniformityの評価

Gain : min/max = 約70%,  QE : 8%

  • クロストークの評価

隣接チャンネルで 3~5%

  • 位置分解能の評価

約5mmの位置分解能を達成(最外チャンネルを除く)

エアロジェルRICHの要請を満たすHAPDの開発は可能

APDの個体差、マルチチャンネル特性改善の必要あり

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開発研究の今後
  • クロストークの原因解明
    • APDのみで反射率測定
  • VAを用いた多チャンネル同時読み出しシステムの完成
    • 全チャンネルのパルス測定
  • ビームテストの解析
    • ビームに直接当たったときの反応
  • 磁場測定
    • 1.5Tの磁場中での振舞いを調査
  • エアロジェルRICH検出器用読み出し回路
    • 多チャンネルを高速で読み出すためのASICの開発研究
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HAPD

真空管光検出器技術と半導体技術の融合・・・新型光検出器

Siダイオードを利用・・・シグナルの高分解能(3.64eV/1電子・正孔対)

利得・・・光電子打ち込み× アヴァランシェ効果

高利得、低雑音な回路での読み出しが必要 

光電子打ち込み

時の後方散乱に

より理想値よりも

減少する

Belle検出器のEndcap部では磁場B // HAPD内の真空管内の電場

での安定動作

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HAPD測定回路

正逆バイアス電圧印加時

Rf: 50ΩR: 100MΩC: 10nF

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位置分解能(1)

チャンネル中央から12mm角を

0.5mm pitchでscan

[mm]

X scan

Y scan

Next ch

Next ch

4.9mm

[mm]

[mm]

隣り合うチャンネルに対するクロストーク : 10%以下

斜め隣、2ch以上離れた部分にはほぼ影響なし 

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斜め隣

5%

4.2%

2.8%

隣接チャンネル

2.7%

[ch]

[ch]

[%]

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