ハイパーカミオカンデ用
光センサー開発の現状
須田祐介（東京大）新学術領域研究「ニュートリノフロンティアの融合と進化」研究会
クロス・ウェーブ府中 2013/12/08

1

Hyper-Kamiokande

25
Super-Kamiokande• さらなるニュートリノ研究にむけた次世代大型水チェレンコフ検出器
CPV，ν質量階層性問題，核子崩壊• Leptonicなどがターゲット2

Hyper-Kamiokande• 候補地：岐阜県神岡鉱山（地質調査中）• 光センサ
大量，お金かかる• 内水槽：99,000本の50cmΦ光センサ
低め，センサの量子効率を向上• Photo coverage 20%（Super-K 40%）
• 外水槽：25,000本の20cmΦ光センサ
感度のよいHyper-K検出器の実現に向け低コスト・高QEをもつ光センサが必要
内水槽

光電子増倍管よりも性能が良いと嬉しい
外水槽（Veto）
3

Hyper-K用光センサ候補• ３つの候補が存在• Super-Kで使われているPMT(R3600)と２つの新型センサ
PMTHPDVenetian Blind型 Box & line型

Hybrid Photo-Detector(R3600)
QE [%]•• 高QE R3600を開発，試験中
オプション：光電面の高QE化

QE

4035

高QE R3600

ZP0014
ZP0015
ZP0021

25ZP0022
ZP0024
ZP002520

Normal SK PMT

R3600

10504

ZP00123015

すべて浜松ホトニクス社製

ZP0007

300

350

400

450

500

550600 650 700
Wave Length [nm]Hybrid Photo-Detector (HPD)
20cm

Avalanche
Diode

20cmΦHPD
5mmΦ

PMTのダイノード部をAvalanche Diode (AD)におきかえた新型の大口径光センサ
5HPD動作原理
光電子を高電圧で加速しADに打ち込み，AD内で雪崩増幅
AD内で電子・正孔対を生成
PMT Metal dynode HPD Avalanche
Diode (AD)= APD without photocathode~260V-300V

Amp
ΔV~<-300V-260V~1kV
1-2kV

 x ~~155~8kV    × ~100× ~1600~400
30~100~1054&&&×& 
Total&gain&~4x10
ダイノードに比べ，ADはシンプルな構造→安価に大量生産可•• 短い経路長→高時間分解能• 高い打ち込みゲイン→優れた１光電子検出能力

HPDは安く大量生産可能で性能の向上が期待できる→HPDの開発を中心に行う
6

Hyper-K用光センサ開発のゴール
Hyper-Kで実用可能な50cmΦ 高QE HPDの開発
HPD試作機を開発，性能を評価し，• 20cmΦ
仕様・技術を固める• HPDのHyper-Kでの実用性を評価するため，実際の水チェレンコフ検出器に実装し，長期間における性能を実証する• 同時にBox&Line型PMTの開発も行う
720cmΦ HPD試作機の基本性能

8HPD回路と制御装置
信号

55V/mA

3高電圧を生成10CH

コントロール信号
コントロール電源〜３Vの低電圧でHVとAD Biasをコントロー
ル＋HVモジュールとアンプの駆動電圧10V

HPD内で高電圧を生成，水中でも安全に使用可
920cmΦ HPDの基本性能
20cmΦ HPD 50cmΦ PMT
1p.e.

時間分解能
1p.e.分解能

2p.e.

1.2 ns12%

2.2 ns62%~2kHz~4kHz

3p.e.

ダークレート @0.5p.e., 24℃ @0.25p.e., 13℃

4p.e.
5mV
20ns

電荷分布

(p.e. = photo electron; 光電子)

ダークレート

1p.e.分解能
12%

時間分解能(TTS)

σ=1.2ns~2kHz
1p.e.

光源トリガー

1020 Threshold (mV)

25%Transit Time

-4 -2 0 2 4 Transit time (ns)

優れた時間・１光電子分解能とPMTと同程度のダークレートを持つ
10光センサとしての基本性能が良いことはわかった。
水チェレンコフ検出器用の光センサとしてはどうか？

11実証試験目的： 水チェレンコフ検出器を用いてHPDのHyper-K用
光センサとしての適性を判断する
期間：2013年9月から1~2年
装置：200トンGd水タンク＠神岡鉱山
対象：20cmΦHPD 8 + 50cmΦ高QE PMT
50cmΦPMT (R3600) 227 と比較
50cmΦHPDも準備ができ次第，試験
水中での性能，ゲインやダークレートの安定性や運用の安全性などを調べる
125

Num.

12
1020

事前較正

8156

• 2%の精度で較正し，P/V比やダークレートを測定

1042

•

5

h_HV_EGADS
Entries
250
Mean
1992
RMS
100.9h_gain_EGADS
Entries
250
Mean
2.319
RMS0.2466

1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500
0P/V比はPMTよりも優れ，ダークレートはPMTと同程度
11.5
2High voltage [V]0 1425

2.5

123

3.5

←20cmΦHPDのゲインのばらつき
Dark rate [kHz]201015620cmΦHPD

410←P/V比の分布
1050cmΦ高QE PMT

2R3600

1 35
0

123

42556P/V ratio

201p.e.

15peak

1.5

22.5

33.5

420cmΦHPD
150cmΦ高QE PMT

01020R3600
30 40 5060 7
Dark rate

1010

ダークレートの分布→
5valley1001

h_pv_EGADS30pedestal

501500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500

Entries
250
Mean
1.542
RMS
0.1561

基準ゲインからのずれ (%)

Num. of Photo sensors

8Num. of Photo sensors

Num. of Photo sensors

P/V ratio

00123134

5610

10

2030

4050
Dark rate [kHz]光センサの取り付け20cmΦHPD

8 + 50cmΦ高QE PMT

5 + 50cmΦPMT

227の計240本の光センサをタンクに取り付けたタンク展開図20cmΦHPD
50cmΦ高QE PMT

取り付け順

期間：2013/7/16-8/13 (約１ヶ月)
14光センサ取り付け完了

超純水で満たされたタンク

HPD

宇宙線μイベント→

200トン水チェレンコフ
検出器完成
1520cmΦHPDのタンク内での性能
ダークレート

電荷分布（注水から２ヶ月半後）pedestal

Rate (kHz)

ch1

102

0.5p.e. 1p.e.

101p.e.
110-1
01p.e.分解能 ~30%

246810121416
Threshold (mV)

２つを除いて
2kHz以下＠0.5p.e.

50cmΦ PMTは~50%

16これから• 実証試験• 較正を行い，長期連続測定へ移行• 50cmΦHPDの性能評価，実証試験• 試作進行中，数ヶ月以内に測定開始• 2016年までにHyper-K用光センサ決定
50cmΦ 20cmΦ 50cmΦPMTHPD

HPD

HV~8kV~8kV
収集効率* ~95% ~97%
ADサイズ 20mmΦ 5mmΦHPK(R3600)

1-2kV~80%-＊計算値
1750cmΦHPDまとめ• さらなるニュートリノ研究のためにHyper-Kが必要• Hyper-K用に新型光センサHPDを開発中• 最終目標は50cmΦ高QE HPDの開発• 20cmΦHPDの基本性能はPMTを上回っている• 実証試験による１­２年の長期測定を元に，Hyper-Kでの実用性を評価する• HPDの水チェレンコフ検出器への実装完了，性能評価中• 2016年までにHyper-K用光検出器を決定する（Hyper-Kが2023年から測定開始可能なスケジュール）18

宣伝@Kavli IPMU
オープンなのでどなたでも参加OK

http://indico.ipmu.jp/indico/conferenceDisplay.py?confId=29
19↑前回ミーティング時