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TOP カウンター開発の現状

2007/3/22-23 学術創成評価委員会. TOP カウンター開発の現状. TOP カウンター 光検出器 (MCP-PMT) フォーカスミラー. 居波賢二、松村太伊知、 福井謙一、川出健太郎. 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 ( p  /K  ). 1.5T. 1.2m. 2.6m. e + 3.5GeV. e - 8.0GeV. 改良型 Belle 測定器断面 ( 案 ). TOP カウンター (2). 石英を用いたイメージング

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  1. 2007/3/22-23 学術創成評価委員会 TOPカウンター開発の現状 • TOPカウンター • 光検出器(MCP-PMT) • フォーカスミラー 居波賢二、松村太伊知、 福井謙一、川出健太郎

  2. 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(p/K) 1.5T 1.2m 2.6m e+ 3.5GeV e- 8.0GeV 改良型Belle測定器断面(案) 2007/3/22-23 学術創成評価委員会

  3. 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p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 2007/3/22-23 学術創成評価委員会

  4. 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 シミュレーション 2GeV/c, q=90 deg. 1次元読み出し(~5mm) 時間分解能 s~40ps ~2m 時間 K p ~200ps 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) 2007/3/22-23 学術創成評価委員会

  5. 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 2007/3/22-23 学術創成評価委員会

  6. 期待される性能 • K/p分離能力 • GaAsP光電面 + フォーカスミラー 4GeV/cまで 4s K/p分離が可能 2007/3/22-23 学術創成評価委員会

  7. 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 R&D項目 2007/3/22-23 学術創成評価委員会

  8. 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 2007/3/22-23 学術創成評価委員会

  9. Channel f~10mm ~400mm MCP-PMT MCP – Micro Channel Plate • 直径数mm-数十mm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 2007/3/22-23 学術創成評価委員会

  10. 角型MCP-PMT (1) SL10 TOP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 • 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) 2007/3/22-23 学術創成評価委員会

  11. 角型MCP-PMT (2) Rise time～400ps • 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) ～30ps @B=1.5T • 位置分解能<5mm • 収集効率～50% １光子照射 時間分解能 σ～30ps 2007/3/22-23 学術創成評価委員会

  12. 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 2007/3/22-23 学術創成評価委員会

  13. １光子状態のレーザーパルスを入射してQ.E.を評価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.) - 2007/3/22-23 学術創成評価委員会

  14. 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 2007/3/22-23 学術創成評価委員会

  15. 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/ Al(#32) Russian w/o Al (#6) s=31ps s=36ps －before －after s=43ps s=32ps HPK w/o Al HPK w/ Al s=29ps s=33ps s=34ps s=34ps 寿命測定結果 - 時間分解能(TTS) - 2007/3/22-23 学術創成評価委員会

  16. 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 2007/3/22-23 学術創成評価委員会

  17. 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 GaAsP光電面MCP-PMT 2007/3/22-23 学術創成評価委員会

  18. 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 f10mm hole 4chアノード 基本性能テスト 時間分解能 Target structure GaAsP MCP-PMT 開発 2007/3/22-23 学術創成評価委員会

  19. 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 pedestal single photon peak Single p.e. 0.5ns/div 20mV/div Gain～ 0.64×106 GaAsP MCP-PMT 基本性能 TTS～35ps 2007/3/22-23 学術創成評価委員会

  20. 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 GaAsP MCP-PMT; Q.E. 分布 2007/3/22-23 学術創成評価委員会

  21. 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 PMT 2007/3/22-23 学術創成評価委員会

  22. GaAsP光電面(+>400mm filter), CE=36% Focusing TOPの分離能力 4.3sp/K分離 at 4GeV/c 2007/3/22-23 学術創成評価委員会

  23. Focusing mirror 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 2007/3/22-23 学術創成評価委員会

  24. レーザー変位計の構造 Z X Y 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） (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 レーザー変位計(固定) 石英bar （可動） 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。 自動ステージに乗せ ＸY方向にスライド 2007/3/22-23 学術創成評価委員会

  25. 測定装置製作 レーザー変位計 X Y Z 2007/3/22-23 学術創成評価委員会

  26. 平面部で装置の測定精度を確認 s=3.5mm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 測定結果 2007/3/22-23 学術創成評価委員会

  27. 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 2007/3/22-23 学術創成評価委員会

  28. 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 2007/3/22-23 学術創成評価委員会

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