タウ物理のための検出器 R&D
名古屋大学 N研
M１ 冨田 光俊
-Contents•Introduction•光検出器-MCP-PMT-角型マルチアノードMCP-PMT•まとめ2004/3/9

科研費特定領域 第二回研究会

Introduction
新型リングイメージ型π/K粒子識別装置 ・・・ Bar-TOP counterzzKπyxθc = cos (1/nβ)ΦHorizontal anglez

Belle実験用π/K粒子識別装置
ﾁｪﾚﾝｺﾌ光の水平放出角と伝播時間からﾘﾝｸﾞｲﾒｰｼﾞを再構成して粒子識別を行う
コンパクトかつシンプル- 合成石英 (発光媒体)- 光検出器Quartz :n = 1.471 (@λ=390nm)
L=1000, W=200, T=20(mm)

位置・伝播時間の測定→ 光検出器1000mmm0m
20Quartz bar spec.
Quartz : sprasil P20 (Synthetic fuzed silica,made by shin-etsu co.)size: 1000mm 200mm 20mm
surface : 0.5nm(rms), figure < 2µm
squrness : < 0.3mrad, edge radius < 5µm
polished by Okamoto optics work,inc

2004/3/9

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PMTHPK
R5900-U-L16

光検出器• 光検出器に要求される性能

1. １光子検出可能
2. １光子での時間分解能 σ< 50ps
3. 磁場中で使用可能(B=1.5T)
4. 収集効率 ≧ 50％
5. 位置分解能 〜 5 mm
全ての要求を満たす光検出器はまだ存在しない

MCP-PMT
2004/3/9

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Micro Channel Plate(MCP)-PMTMCP(マイクロチャンネルプレート)
直径数μm〜数十μmの細いガラスパイプチャンネルを多数束ねた板状構造

MCP

各ガラスパイプが独立した2次電子増倍部
MCPの両端に印加された電圧で電子が加速されMCPに衝突し、2次電子を放出

MCP-PMTの特徴
1.
2.
3.

高Gain (MCP2枚で105 〜106 )高時間分解能 (MCP1枚が1mm以下)
高磁場で使用可能(垂直に磁場をかける)

MCP-PMTの構造

2004/3/9

2次電子増幅過程

飽和特性
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研究目的
Bar-TOP counterに用いるための光検出器の研究開発
1〜5の性能が要求される
オリジナル

角型リニアアレーマルチアノード
MCP-PMTの開発• 仕様の異なる４種のシングルアノードのMCP-PMTの研究
磁場中における１光子照射時のGain
１光子照射時の時間分解能
収集効率→ 高い性能を示すMCP-PMTの構造
2004/3/9

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MCP-PMTの仕様

HPK6

Russia10

HPK10

Burle25

MCP-PMT

HPK6

Russia10

HPK10

Burle25

型番号

R3809-U-50-11X

N4428

R3809-U-50-25X

85011-501

PMTの径(mm)4530.55271x71

有効光電面（mm)11182550x50

MCPの枚数

2222

MCPチャンネル径D(μm)

6101025

規格長（α=L/D)

4043

4040

最大の印加電圧 (V)

3600

3200

3600

2500

光電面

マルチアルカリ

マルチアルカリ

マルチアルカリ

バイアルカリ

QE(%) (λ=408nm)

26182624

2004/3/9

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波形
１光子照射

（磁場=0T、電圧は各MCP-PMTの最大電圧）
Russia10

Burle25

MCP-PMT

HPK6

Russia10

HPK10

Burle25

Rise time(ns)0.3

10.40.8

2004/3/9

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ADC分布(pedestal : 100 count)
HPK6(3600V)

Russia10(3200V)

１光子分布

HPK10(3600V)

Burle25(2500V)
0.8T

ADC(0.25pC/count)

HPK6 :PHR=140%(0T) →60%(1.5T)
Russia10 :PHR=147%(0T) →71%(0.8T)
2004/3/9

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波高分解能(PHR)

補正後のADC vs TDC

TDC(25ps/count)

ADC v.s. TDC (B=1.5T)
HPK6(3600V)

Russia10(3200V)

HPK10(3600V)

Burle25(2500V)(0.8T)

ADC(0.25pC/count)

補正後のTDC分布
2004/3/9

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磁場 v.s. Gain
7710106610105510Gain

10

Russia10(3200V)
71000.4

0.8

1.21.6700.4

0.8

1.2

1.60.81.2

1.610661010510510Burle25(2500V)

00.4

0.81.2

1.6B(T) 00.4

• HPK6、Russia10 : 高磁場中でも106 の高Gain• Burle25 : 磁場1.0T以上ではGainが低下
測定不可能
2004/3/9

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磁場中における2次電子のMCPチャンネル内での運動■電子はローレンツ力を受け、軌道が曲げられる■電子の飛び出すエネルギーは3[eV]を用いた(磁場＝1.5Tでのラーモア半径≒3.9[μm])MCPのチャンネルを上から見た図•平面上の電子軌道
HPK6・・・6μm(0T)burle25・・・25μm(0T)

85%
40%

5.1μm(1.5T)
9.7μm(1.5T)

加速距離チャンネル径：大MCPのチャンネルを横から見た図
2004/3/9

加速距離の減少大

衝突エネルギーの減少大科研費特定領域 第二回研究会

2次電子の衝突エネルギー
衝突エネルギーはMCPからの2次電子放出数に関係電子がMCPに衝突し、2次電子を放出する最低エネルギーは20eV710GainE(eV)

磁場 vs 衝突エネルギー
60

Burle25(2500V)

61040510200 00.4

0.8

1.2

1.6B(T)

00.4

0.8 1.0 1.2

1.6B(T)

Burle25：1.0T以上で20eV以下！！
1.0T以上では電子増幅が起こらず測定できない(実験結果と合致)
高磁場中ではチャンネル径の小さいMCP-PMTが有効
2004/3/9

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磁場 v.s. 時間分解能

時間分解能(ps)8080606040402020000.40.8

1.2

1.6012012080804040000.40.81.2

1.6 0B(T)HPK6、Russia10(0°〜30 °) ： 高Gain
Gainが低下している測定点
2004/3/9

Russia10(3200V)

00.4

0.8

1.2

1.6Burle25(2500V)

00.4

0.8

1.2

1.6

30〜40psの高時間分解能
時間分解能が悪化

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Gain vs 時間分解能

時間分解能(ps)■電圧、磁場、角度を変えて測定した全てのデータ
120
Russia10

100Burle25

8060

4020
0 510

106107 Gain

40ps以下の高時間分解能を得るためには、106 以上のGainが必要
2004/3/9

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収集効率
基準PMT: 量子効率、収集効率ともに既知で1光子の信号とノイズが分離できるPMT、H3171-04（No.LA9806）を使用

同じ光量で測定し比較することにより収集効率を導出

収集効率に関わる点•開口率・・・MCP表面の全面積に対するチャンネルの開口面積の比率•Al膜・・・・イオンフィードバック防止のためにMCP表面にある(透過率∼60%)●

MCPの表面:

2004/3/9

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収集効率ー結果ー
Russia10(開口率40%,Al膜無) Burle25(開口率30%,Al膜無)磁場(0T〜1.5T)
収集効率(%)

平均44

HPK6(開口率60%,Al膜有)磁場(0T〜1.5T)
収集効率(%)

平均35.5開口率(%)

磁場(0T〜0.2T)
収集効率(%)

平均30.5

HPK10(開口率60%,Al膜有)磁場(0T〜1.0T)
収集効率(%)

平均30.3≅ 収集効率(%) （Al膜無し）

Al膜がなく、開口率50%以上のMCP-PMT
2004/3/9

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角型マルチアノードMCP-PMT
仕様の異なる４種のMCP-PMTを用いて、磁場中での性能について研究■高磁場中ではチャンネル径の小さいMCP-PMTが有効6■〜40psの高時間分解能を得るためには10 以上のGainが必要■MCP表面のAl膜を除くことにより、収集効率が向上する•磁場に対する耐性からチャンネル径を10μm以下•高時間分解能を得るためGainを106以上•MCP表面のAl膜無し、開口率を50%以上
光検出器に要求する性能(1)1光子が検出可能(2)高時間分解能≦40〜50ps(3)1.5Tの磁場中で使用可能(角度付)(4)収集効率≧50％(５)位置分解能+ リニアアレーのマルチアノード
2004/3/9

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角型 マルチアノードMCP-PMT 開発
今回浜松ホトニクスと共同開発したMCP-PMT

27.5mm

MCP-PMT

5.3mm

1ch
2ch
3ch
4ch
22 (effective area)
27.52

2004/3/9

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角型マルチアノード MCP-PMT仕様
概観
27.5mm

27.5mm角型MCP-PMTの構造の特徴

MCPのチャンネル径 10μm
MCPの厚さ400μm
MCP-MCP間30μm
MCP枚数
2枚
最大印加電圧
3.5kV
リニアアレーの4チャンネルアノードPMT
MCP開口率60%
MCP表面のAl膜(イオンフィードバック防止)なし
有効光電面の領域
72%
光電面
マルチアルカリ(最大QE:19.5%, λ=350nm)))

2004/3/9

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Gain,時間分解能
位置分解能
収集効率
Dead spaceの減少

基本性能 (B=0T,HV:3.5kV)
１光子照波
1000

Rise time 〜

ADC分
pedestal
１光子分

800
600

500ps
20mV

200
0 100

TDC分

140

180

25ps/bin

0.25pC/bin

σ〜

2004/3/9

Gain 〜

400

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B v.s. Gain ,時間分解能
Gain

TTS(ps)710B vs Gain

HV

B vs TTS-- 3.1kV-- 3.2kV-- 3.3kV-- 3.4kV-- 3.5kV

61051000.20.40.60.8

11.2 1.4

1.6

B(Tesla)

磁場に対するGain,TTSB(Tesla)

6最大電圧（3.5kV)では、B=1.5Tでも１０ 以上のGainが得られる
10 6 のGainが得られれば磁場に対して時間分解能が悪化する振る舞いは見られない
2004/3/9

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角型マルチアノードMCP-PMTの性能•Gain ,時間分解能 , 収集効率 （１光子照射）702x1062956%

1.5
1.5x106
30−60
チャンネル間の性能のばらつき

10GainTTS(psec)

B(T)
Gain
時間分解能(ps)
収集効率(%) (QE=0.18)

ch vs Gain50ch vs TTS

4061030

Gain〜2x106101234ch.
2004/3/9

4チャンネル全てで同じ性能が得られる

200TTS〜34ps
1234ch.
科研費特定領域 第二回研究会

まとめ•仕様の異なる４種のシングルアノードMCP-PMTの、磁場中での性能について研究チャンネル径を10μm以下
Gainを106 以上
MCP表面のAl膜無し、開口率を50%以上

・TOP counter用のリニアアレーマルチアノードMCP-PMTを開発し、性能評価を行った。
1. １光子検出可能
2. １光子での時間分解能 σ〜30ps
3. 磁場中で使用可能(B=1.5T)
4. 収集効率 ≧ 50％
5. 位置分解能 〜 5 mm
今回開発した角型マルチアノードMCP-PMTは期待通りの性能を示した
2004/3/9

科研費特定領域 第二回研究会

Back up2004/3/9

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波高分解能の向上•無磁場、磁場中でのMCP中の2次電子流
•無磁場

•磁場中

●無磁場

広がり大●磁場中

広がり小少数のチャンネル
飽和特性
波高分解能向上2004/3/9

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SET UP＠KEK-PS

pedestal
1光子peakID
Entries
Mean
RMS

700

196226945
163.5
21.20

600
500
400300200
1000100

200300ADC
１光子照射（基準球）

HPKco. PLP
波長408nmジッター <±10ps
2004/3/9

AMP
HPKco. amp
Gain ･･･36dB(〜63倍)
科研費特定領域
第二回研究会

CAMAC module
ADC ･･･0.25pC/count
TDC ･･･25psec/count収集効率ー考察ー
HPK6、HPK10 ： Al膜が蒸着
Al膜の透過率〜60%、開口率60%

収集効率〜36%

Al膜が収集効率を低下させる●光検出器に要求する性能(4)収集効率≧50%

Al膜が蒸着されている場合、開口率が80%以上必要 : 不可能

Al膜が無いRussia10は高Gain、高時間分解能（イオンフィードバックによる悪影響はない）

Al膜蒸着がなく、開口率50%以上のMCP-PMT
2004/3/9

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Set up@HPK

１光子照射
2ch SPOT照射(Φ1mm)

HPKco. PLP(C4725)
波長･･･ 408nm
jitter･･･<±10ps
Pulse 幅 ･･･<50ps
2004/3/9

Amp

CAMAC

HPKco. Amp(C5594) ADC ･･･0.25pC/count
TDC ･･･25psec/countGain ･･･36dB
帯域 ･･･〜1.5GHz
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ラーモア半径ラーモア半径

B=1.5T
ラーモア半径~3.9μm(3eV)

2004/3/9

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位置分解能の原理
MCP(Micro-Channnel Plate)
10μmの細いガラスパイプの集合体
ガラスパイプそれぞれが独立した二次電子増倍器

あるチャンネルに入った電子は必ず同じチャンネルから出る

磁場の有無とは無関係に位置分解能がある

2004/3/9

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ratio

位置分解能2ch, SPOT, 1光子照射

position sensitive -signal ch.2-

0T
0.5T
1.0T
1.5T

10.8
0.6
0.4(Φ1mm)

他chへのsignalのしみだしは見られない。
(磁場:0,0.5,1.0,1.5T)

0.20

磁場に依存せず位置分解能がある。
1ch

2ch

3ch

4ch

磁場に対する位置分解能
位置分解能は5mm以下（アノードのチャンネルサイズ)
2004/3/9

科研費特定領域 第二回研究会

チャンネル間の性能のばらつき■HV:3400V ,１光子照射

どのチャンネルでも同じ性能が得られる

TTS(psec)

チャンネル間に性能のばらつきはない。
760Gain10ch vs Gainch vs TTS

50406301020Gain〜2x106

TTS〜34psec

10123ch vs Gain
2004/3/94ch.

01

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23ch vs TTS

4ch.

イオンフィードバックについて
イオンフィードバックの影響
光電子増倍管内の残留ガスが電子によりイオン化され、この内の陽イオンが光電面に戻ること(イオンフィードバック)により多数の光電子を発生させる。

アフターパルス(通常、本信号から数十ns〜数μs遅れる)

今回のPMTも複数光子照射すると、約十nsにアフターパルスが見える。
(原因がイオンフィードバックかは分かっていない)

しかし、1光子照射では新品であることもありアフターパルスは見えない。
時間分解能に悪影響はない
2004/3/9

科研費特定領域 第二回研究会

角型マルチアノードMCP-PMT•ch上に光が入射-10カウント以内(XY方向)•ch以外の所に光が入射-L16同様電荷が検出
増幅電子が2つのアノードにまたがって検出

gain(0.25pC/count)

2chのgain
2ch

40

3ch

3020

カソード
MCP

クロストークアノード
2004/3/9

10012Δgain X方向：〜10count
Y方向：〜2count
科研費特定領域 第二回研究会

3456X(mm)角型マルチアノードMCP-PMT
TDC-mean(25psec/count)

2chのTDCのRMSとTDC-mean
RMS(count)

540.5count
3カソード
1736

MCP

1734

1732

2count1730

0123456X(mm)

1728
012

3

456X(mm)• RMSは場所によらず 0.5count以内•カソード、MCP間の距離が一定→TDC-meanの場所によってのふらつき小（〜2count）

チャンネル全体で時間分解能は変化なし(spot:〜35psec, all:〜35psec)
2004/3/9

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今後の課題・Cross Talk

TTS (ps)100

Filter--1%+10%+30%

80Filter--1%+50%+30%

1chFilter--1%+30%

全面照射

350

50060

2ch

40

4ch

20

single p.e.
0100

150200250

300S
本信号のpulse-height
5== 750mV=150mVN
Cross-talkのpulse-height

Cross-talkが本信号に対して、非常に大きい。
今後の課題
2004/3/9

科研費特定領域 第二回研究会

400

450

ADC(0.25pc/bin)Time Resolution(psec)

Cross-talk
80
60

Photon incr.

100
Filter--1%+30%

Filter--1%+50%+30%

Filter--1%+10%+30%

Full Window

4020

Full Window

single p.e.

100

クロストーク波形の特徴
 本信号に対して極性が反転 全てのﾁｬﾝﾈﾙで発生
 S/N〜 3 – 5
本信号のﾊﾟﾙｽﾊｲﾄ
S/N =200

全面照射時

500
300 400
ADC(0.25pc/bin)

PMTあたりの光量を増加（〜数光子）
一光子に対応するADC countでの時間分解能の悪化(30psec→70psec→90psec)
本信号と他ﾁｬﾝﾈﾙから生じるｸﾛｽﾄｰｸが同時に発生する確率増加

ｸﾛｽﾄｰｸ信号のﾊﾟﾙｽﾊｲﾄ

今後の最重要課題
2004/3/9

科研費特定領域 第二回研究会

Cross-talk②原因調査
CpF

原因①
R=50

R:読み出し回路系のｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽ(50Ω)
L：電源供給ラインのピンによるｲﾝﾀﾞｸﾀﾝｽ(〜50nH)
C:MCP二段目out-ｱﾉｰﾄﾞ間のｷｬﾊﾟｼﾀﾝｽ(〜1pF)により(1)の経路でRLC回路を構成
L
HV

50nH

原因②
Signal出力時にMCP二段目out全体が(a)式の解で振動

(1)

Q

V(mV)

C3=1000pF

dI

I(t)=RI+ C +L
=V0dt
R2 <4L/Cの時、振動解

200

ｸﾛｽﾄｰｸ発生の根本となる致命的な部位

V0=800 (mV)
C=1 (pF)
L=50 (nH)
R=50 (Ω)

150
100
500-502V0I(t)=βexp(-Rβt)sin(t)2L2L(β= (4L/C)-R2
2004/3/9-(a))

-100
-150
-2000246810t(nsec)

式(a)にﾊﾟﾗﾒｰﾀを代入した時の計算によるｸﾛｽﾄｰｸ波形の再現
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Cross-talk③対策
ｸﾛｽﾄｰｸの完全除去に挑戦
L,Cを完全に無くすことは不可能(原因①)
各ChでMCP蒸着電極とブリーダ回路を分割(原因②)
他のﾁｬﾝﾈﾙにSignalによる電位の振動が伝わらない
ｸﾛｽﾄｰｸ完全除去！！
現在試作・性能試験中-課題z隣り合うｱﾉｰﾄﾞ間・MCP電極間のｷｬﾊﾟｼﾀﾝｽ
z各ﾁｬﾝﾈﾙ共通なHV供給源
によりｸﾛｽﾄｰｸが有意に起こる可能性がある
今後より深い考察と回路ｼｭﾐﾚｰｼｮﾝが不可欠

2004/3/9

科研費特定領域 第二回研究会