ハイパーカミオカンデ用ハイブリッド光検出器の開発と性能評価立石　圭児 ( 京都大 )

19th ICEPP Symposium2013/2/18 　岳美山荘

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目次イントロダクション

Hyper-K からの要請HPDの原理、利点 (PMT との比較 )

HPD の開発状況HPD の性能評価

1 光電子の検出ゲインカーブ1 光電子分解能P/VTTSダークレートレート耐性SaturationPMT との比較まとめ全体のまとめこれから

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イントロダクション

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Hyper-K(HK) からの要請99000 本の 20-inch 光検出器が必要(Super-K は約 1 万本 )25000 本の 8-inch 光検出器も必要(Super-K は約 2000 本 )量産化しやすく、安価である必要がある必要な性能

1p.e. の識別性能1p.e. の時間分解能が優れている数百 p.e. まで検出可能

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ハイブリッド光検出器 HPD は HK の光検出器の候補今回 Super-K (SK) の 20-inch PMT の性能と比較をする

p.e. = photo electron ( 光電子 )

Hybrid Photo-Detector の原理 -SK の 20-inch PMT との比較 -

SK 20-inch PMT

8-inch HPD

HV ~2kV 8kVゲイン ~107 ~104-105

e

Dynode

HV ~2kV

PMT HPD

e

HV ~8kV

e

amp

HybridAvalanche Diode (AD)

AD Bias~300V

打ち込みゲイン × ～ 400アバランシェゲイン × ～ 150 @300V

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HPD ゲイン＝打ち込みゲイン×アバランシェゲイン

HPD の利点PMT と比べて

8kV という高電圧をかけるので1p.e. の分解能、時間分解能が優れる収集効率が良いダイノードではなく AD を使うことでシンプルな構造となり、量産しやすく安価に作ることが出来る時間分解能が優れる軸対称なのでゲインの一様性がある

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HPD 開発状況

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8-inch HPD

20-inch HPD の開発状況

2013 年 4 月から試作管作製試験、改良管の作製を繰り返していく防水ケースのデザイン検討中

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HV : ～ 8kV 8-inch HPD と同じ

AD : φ20mm 8-inch は φ5mm光電面：高 QE 化(22%→30% 以上 ) 検討

(20-inch) 収集効率

TTS(FWHM)

SK PMT 80% 5.5nsHPD( 計算値 )

95% 1.1ns

電場や電子軌道、耐水圧などの設計、計算は完了している

2014 年には水中試験が出来るものを作製

8-inch HPD の開発状況

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2012/5 、神岡で 8-inch HPD の R&D 開始、開発・評価を始めた放電対策HV ピン周りの放電対策、フィルター内絶縁、 HPD 周りのグラウンド強化ノイズ軽減低周波ノイズ (5kHz) の除去 ( フィルターの追加 )アンプ改良S/N 比を良くするために差動アンプの採用、時定数・倍率の最適化これらの改良と実用性評価 ( 須田くんの発表 ) を経て、水チェレンコフ検出器として使えるかどうかの実証試験を行える段階まで来た

20-inch HPD の試作の前に小型の 8-inch HPD の開発を進めている

prototype of 8-inch HPD30cm

ADφ 5mm

+HV8kV

Filter

amp

LV

Diff.I-V conv.

Filter

HV Module

～300V

AD

AD Bias～ 300V

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Signal

LV

Signal

防水のためのハウジング

8-inch HPD の性能評価

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レーザーダイオード8-inch HPD

オシロスコープ

1 光電子の検出90ns

8mV1p.e.

2p.e.

3p.e.

10 20 　　 30 　 　 40 　 　 50 　 60波高 [mV]

Coun

ts

1p.e., 2p.e., 3p.e. が綺麗に検出出来ている！

ped.

1p.e.

2p.e.

3p.e.

↓w/o 70m 信号ケーブル

←w/ 70m 信号ケーブル

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実証試験では 70m 信号ケーブルを使用する

ゲインカーブ

HPD+amp+70m 信号ケーブルのゲイン10kV まで可能だが安全性等のため HV は 8kV に固定AD バイアス電圧を変えることでゲインを調整する

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AD バイアス電圧 [V]

ゲイン

AD バイアスを変えた時のゲインの変化HV を変えた時のゲインの変化

ゲイン AD バイアス：

292V

HV ： 8kV

HV によって変化 AD バイアスによって変化HPD 単体のゲイン ＝ 打ち込みゲイン × アバランシェゲイン

1p.e. 分解能、 pedestal 幅、 P/V の定義1p.e. の分解能 = (1p.e. Sigma) / (1p.e. のピーク位置 )

エネルギー分解能に繋がるpedestal の幅 = (pedestal Sigma) / (1p.e. のピーク位置 )

ノイズの指標Peak to Valley ratio (P/V) = (1p.e. のピークの高さ ) / (pedestal と 1pe の間の谷の高さ )

ヒットトリガーの threshold の決定に繋がる

Coun

ts

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pedestal

1p.e.

谷

最適な AD バイアス電圧 ( アバランシェゲイン ) を決めるために以下を測定した

これらの値が最も良くなる時が最適な AD バイアス ( アバランシェゲイン )

1p.e. 分解能、 P/V のバイアス依存性1pe の分解能、 pedestal の幅、 Peak to Valley (P/V) のバイアス依存 ( 電荷の分布から求めた )

1p.e. 分解能

Pedestal 幅P/V

908070605040302010

Sigm

a / 1

p.e.

のPe

ak [

％]

AD バイアス 345V( アバランシェゲインが225) の時ゲイン (HPD+amp) 　

1p.e. 分解能P/V

～ 2.8×107

～ 35%～ 7

SK の 20-inch PMT～ 107

～ 150%1.9

SK の PMT よ

り優れている！

どれも AD バイアス～345V( アバランシェゲインが～ 225) の時が一番良い

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AD バイアス～345V( アバランシェゲイン～ 225)

Coun

ts

pedestal

1p.e.

アバランシェゲイン 225 の時の分布

Transit Time Spread (TTS)

1p.e. の TTS (amp + 70m ケーブル ) : ～ 1.3 ns (Sigma)SK の 20-inch PMT は～ 2.2ns (Sigma)HPD 単体の TTS は 0.62ns (Sigma)

amp と 70m ケーブルで悪くなっているamp を変える / 改良することで 1.3ns より改善する可能性がある

1p.e. TTSσ : 1.26±0.06 ns

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1p.e. レベルの光量を入射し、波高の 25% が通過した時間を測定これで時間分解能がどのくらいなのか知ることが出来る

SK の PMT より良い結果！

トリガー 波高の 25%

ダークレートアバランシェゲイン 225 の時のシリアル EHD0057 のダークレート @25℃

～ 3kHz

光がない状態で出てくるノイズの数をthreshold を変えながらスケーラーで数えたものダークレートはヒットトリガーのthreshold を決める上で重要

1p.e. 以下であること数が少ないこと大きく変動しないことSK のタンクに入った 20-inch PMT の場合、～ 4kHz @ 0.25p.e. (~13℃)長期間安定後にさらに下がる見込み

17Threshold [p.e.] = Threshold [mV] / 1p.e. の波高 [mV]Threshold

レート耐性超新星爆発が起こった時などに高レートでの耐性が必要光量は固定し、周波数を変えて波高の変化を見た

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500kHz までは 5 ％以内のふらつき700kHz までだと 10% 以内

アバランシェゲイン225 の時のレート耐性 (w/o 70m ケーブル )

拡大 緑： 5% 以内橙： 10% 以内

500kHz700kHz

今回は 110mV のみで測定

波高の saturation

飽和し始める点 : ～ 840mV1p.e. の波高が～ 8.6mV なので～100p.e. にあたる

数百p.e. までは見えない20-inch HPD の場合にはダイナミックレンジを広げたamp 設計を行う

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飽和し始めている

~840mV

HK では数百光電子を検出する必要がある物理も取り扱う飽和は amp によるものHPD自体は～ 104 光子程度まで線形性がある ( 打ち込みゲイン :250, アバランシェゲイン :140)

アバランシェゲイン 225

1p.e. の TTS は amp を変える / 改良することで改善する可能性があるダークレートは HPD ではまだ安定後の測定が行われていないのでふらつきがある

PMT との比較まとめ8-inch HPD 20-inch PMT

ゲイン 104~105 (amp ありだと ~107)

~107

1p.e. P/V ~7 1.91p.e. 分解能 ~35% ~150%1p.e. TTS (Sigma)

~1.3 ns(amp+70m ケーブル )※HPD 単体では 0.62ns

~2.2ns

ダークレート(@0.25p.e.)

~3-40kHz (~25℃) ~4kHz (~13℃)

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これから年 2013 2014 2015 20168-inch HPD

水中試験(200t タンク )

詳細な性能評価

HK の光検出器決定20-inch

HPD 性能評価水中試験(200t タンク )

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レート耐性、温度・磁場依存性、一様性など

?

まとめ開発状況

8-inch HPD は水チェレンコフ検出器として使えるかどうかの実証試験を行える段階にきた20-inch HPD は試作管制作に取り掛かろうとしている性能評価20-inch PMT よりも優れた分解能が 8-inch HPD で得られた将来の展望2016 年に HK の光検出器が決定するそれに向けて 8-inch HPD の開発を続けていく性能評価や実証試験の結果をフィードバック20-inch HPD は 8-inch の開発を元に開発を進めて行く

2014 年に水中での実証試験を行う22

Back up

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フォトセンサ (HPD) 部

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項目 値 単位

感度波長範囲 300 ～ 650 nm

光電面 バイアルカリ -

面板材質 硼珪酸 -

0.01

0.1

1

10

100

200 300 400 500 600 700 800Wavelength [nm]

Pho

toca

thod

e R

adia

nt S

ensi

tivity

[mA/W

]Q

uant

um E

ffici

ency

[%]

Photocathode Radiant Sensitivity

Quantum Efficiency

QE max: 16.4% @ 380nm

SK: 32uA/LmIk5: 4.9uA/Lm-b

*) 分光カーブは SK: 31, Ik5: 4.9 と同程度の感度を持つ別のチューブのもの

1pe 波高分布

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Coun

ts

pedestal

1p.e.

HK 全体のスケジュール

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光検出器開発