MPPCを用いたAerogel RICH counter用光検器の開発研究 1, 2, 3, 4, イントロダクション 3mm角MPPC基本性能測定 ライトガイドを接続した性能評価 まとめ 名古屋大学 N研究室修士２年 山岡美緒 イントロダクション KEKBファクトリー実験 : 電子陽電子衝突型加速器でB中間子を大量生成 B中間子の崩壊過程を精密測定 Belle検出器 : B中間子の崩壊終状態に現れる粒子を検出 現在のK/p識別装置 閾値型Cherenkov counter （Endcap部分では P>2GeV/cでは識別不可) 高輝度Bファクトリー実験向けて B=1.5T e-(8.0GeV/c) Endcap部の大きさ e+(3.5GeV/c) 高運動量(P～4GeV/c) でも識別したい 奥行き28cm 半径1m 新型K/p識別装置 Aerogel RICH counter (Ring Imaging CHerenkov) 2015/9/30 フレーバー物理研究会 名古屋大学 山岡美緒 2 Aerogel RICH counterと光検出器 Aerogel RICH counter Aerogel RICHの粒子識別原理 20cm 輻射体AerogelでCherencov光発生 光検出器でCherencovリングを捉える 放出角qcよりK/π粒子識別を行う Beam testの結果 検出光子数～8.5 1通過粒子あたり 角度分解能～4.4mrad qcπ – qcK～23mrad (屈折率=1.05,P=4Gev) (運動量3GeV/c, Aerogelの厚さ 30mm、 光検出器への要求 マルチピクセルPMT使用） １光子検出能力（高いＧａｉｎ） 高い光子検出効率15%以上 位置分解能～□5mm/チャンネル 1.5T磁場中で使用可能 2015/9/30 近年開発された新しい 半導体光検出器 ＭＰＰＣ (Multi-Pixel Photon Counter) フレーバー物理研究会 名古屋大学 山岡美緒 3 ＭＰＰＣの動作原理と特徴 ＭＰＰＣ受光面 典型的サイズ～1mm 数mm 特徴 動作原理 各ピクセル・・・なだれ増幅型フォトダイ オード(APD） Geiger mode・・・なだれ増幅範囲を超 えたバイアス電圧(Vbias>Vbreak)印加 入射光子のエネルギーによらずガイ ガー放電を起こす 全ピクセルで１出力・・・放電したピクセ ル数の和=検出光子 2015/9/30 薄膜に高電界なので磁場に影 響されず、時間応答性がよい 長波長まで高い光子検出効率 (PDE) 感度領域（300nm～900nm） 最高感度（37％＠440nm） フレーバー物理研究会 名古屋大学 山岡美緒 4 MPPCを用いたRICH用光検出器 の開発現状 1mm角MPPCの性能測定 １光子検出能力、高いPDEを持つ 5mm角に有効受光面を拡大 ライトガイドの使用を考案 ライトガイドの最適形状決定 素子には2mm角以上が必要 1mm角MPPCのPDEを用いて シミュレーションを行った結果 □5mm □２mm RICHでの検出光子数が増え 識別能力 検出光子数 識別能力向上 2015/9/30 フレーバー物理研究会 名古屋大学 山岡美緒 MPPC 5 目的 現在の課題 5mm角有効受光面の光デバイスの製作 －１、受光面が拡大された3mm角MPPCの性能評価 １光子検出能力、ＰＤＥ、など RICHの要求する条件をみたすか？ －２、ライトガイドの製作と性能評価 5mm角領域の集光能力、その収集効率 2015/9/30 フレーバー物理研究会 名古屋大学 山岡美緒 6 3mm角MPPC 名前 H3mm-50um H3mm-100u 受光面 3mm×3mm 3mm×3mm 製造時期 2007.3 2007.12 ピクセル数 3600 ９00 有感面積比(%) 61.5% 78.5% 製造会社 浜松ホトニクス社 浜松ホトニクス H3mm-50um -15℃ over voltage 1.5V 3mm 3mm角MPPC と1mm角MPPC の内部構造は同じ 測定項目 ゲイン 1P.E 2P.E 3P.E ２０ｍＶ 2015/9/30 １光子検出能力 時間分解能 PDE １０ｎｓ 高い光子検出効率があるか フレーバー物理研究会 名古屋大学 山岡美緒 7 ゲイン、時間分解能測定セットアップ レーザーで1光子照射 Vover=V-Vbreak Vbreak =geiger放電が起こ ADCで積分電荷量を測定 り始める電圧 TDCで検出時間を測定 電圧はVoverオーバーボルテージで表示 clock fanout TDC ADC ＮＤフィルター MPPC レーザー 恒温槽 discri div AMP Atte AMP Pulse laser ・・・ λ=400nm TDC ・・・ resolution 25ps ADC ・・・ resolution 0.25pc 恒温槽を用いて温度を一定に ×133 Vsource 2015/9/30 フレーバー物理研究会 名古屋大学 山岡美緒 8 ゲイン,時間分解能測定 ゲイン測定（ADC分布） Pedestal 1/7倍 時間分解能測定 （TDC分布） 1P.E H3mm-100um T=２０℃ Vover=0.8V ゲイン > 1.6 ×106 1光子S/N=⊿mean/s ＞３ １光子の時間分解能 常温で３８０ps フレーバー物理研究会 名古屋大学 山岡美緒 １光子が十分検出可能 2015/9/30 9 PDEの波長依存性測定 単一波長光を照射 20nm毎に260nm～900nmを測定 波長感度既知のフォトダイオード(Ref. PD)をリ ファレンス ＰＤとMPPCの電流値の比から光子検出効率 絶対値を求める PDEMPPC 可動ステージ A A Ref. PD ＭＰＰＣ 暗箱 filter 分光器 pin hole f200mm I MPPC QEPD I PD 波長依存性はほぼ同じ ● 450nm付近にピークを持つ ● 長波長側にまで感度が高い 2015/9/30 フレーバー物理研究会 名古屋大学 山岡美緒 10 測定Sample Set up laser 3mm角MPPC 1mm角MPPC ＮＤフィルター 同光量照射しエントリー数比較 Vover=1.0V on N3mm レーザー ： 400nm 無光時の エントリー数 3mm角MPPC ２３５０ １６５ 1mm角MPPC ２３８６ 23 2015/9/30 恒温槽 N on N1mm N エントリー数 →レーザーの光ったタイミングで 検出されたイベントの数 照射時の エントリー数 Pin hole Read out MPPC stage PDE絶対値測定 off 3mm off 1mm 95 4% 同じVoverならばPDEがほぼ同じ 波長依存性も似ている 3mm角MPPCは1mm角MPPCと 同等のPDEを持っている フレーバー物理研究会 名古屋大学 山岡美緒 11 2,ライトガイドを接続した性能評価 5mm角領域の集光能力 laser ＮＤ filter 収集効率（CE）測定 Pin hole ライトガイド ピンホールから絞った光でLG上をスキャン ライトガイドが有る時と無い時で同光量を照射 エントリー数を比較 ライドガイド全面の 収集効率の平均 MPPC Stage Read out 恒温槽 80 5% 3mm角MPPCで5mm角領域の光 を集光する事に成功！ 全面の収集効率は８０％である。 2015/9/30 フレーバー物理研究会 名古屋大学 山岡美緒 12 RICHでの検出光子数の見積もり 光子のイベント数 従来のシミュレーションに加える補正 実物のライトガイドの収 集効率 ☞ライトガイド＋MPPC：15.9個 ☞マルチピクセルPMT：8.5個 （ビームテストに用いたＰＭＴ） 従来より正確なRICHでの検出光子数 を求める事ができた！ 検出光子数：MPPCを用いればPMTの約2倍 識別能力 検出光子数 RICHの識別能力の向上が見込まれる 2015/9/30 フレーバー物理研究会 名古屋大学 山岡美緒 13 まとめ MPPCを用いたAerogel RICH counter用光検出器実現のため 有効受光面を拡大する 受光面3mm角MPPCの性能測定 １光子検出可能なゲイン（ 1.6×106 ）を持つ 1mm角とほぼ同等の高いPDEを持っている ライトガイドの製作とMPPCと接続した場合の性能評価 5mm角領域の光を集光し読み出すことに成功！ ライトガイドの収集効率は約80%である 検出光子数マルチピクセルPMTの２倍 5mm角の有効受光面をもつMPPC製作 光検出器ユニットは十分な性能を持っている 2015/9/30 フレーバー物理研究会 名古屋大学 山岡美緒 14 Back up 2015/9/30 フレーバー物理研究会 名古屋大学 山岡美緒 15 Belle検出器 SVD CDC Solenoid 超伝導ソレノイド 電子の進行方向と同じ向き 重心エネルギー 10.58GeV 2015/9/30 粒子識別 ECL 飛跡検出＆運動量測定 ＆損失エネルギーより粒 子識別 ACC＆TOF 飛跡検出 位置分解能７０μm γとeの検出 CsI KLM フレーバー物理研究会 名古屋大学 山岡美緒 μとKLを検出 鉄とRPCのサンド 16 □5mm/チャンネルの光検出器 160mm×160mmでのヒットイメージ 熱電子ノイズ 熱電子ノイズ 4MHz 熱電子ノイズはランダムに発生 RICHでのリング再構成の際に邪魔 Cherenkov光 による信号 タイムウィンドウ 2nsとする 常温でのダークノイズは1.5MHz以上 時間分解能が400ps以下 2nsのタイムウィンドウ RICHでの粒子検出能力の悪化を 約9%にとどめる事ができる T=5℃:粒子検出能力の悪化約5% 2015/9/30 フレーバー物理研究会 名古屋大学 山岡美緒 17 ブレイクダウン電圧の求め方 ゲインのバイアス依存 性を測定 傾きは容量に相当する 縦軸は電荷に相当する 直線が横軸交わる点の 値をブレイクダウン電圧 とした 2015/9/30 フレーバー物理研究会 名古屋大学 山岡美緒 18 ＱＥ波長依存性について シリコン内の光吸収長 a = f (l) l (nm) a(mm) 400 0.16 600 3.65 900 45.5 あるＭＰＰＣでの電界強度分布 （実際の測定サンプルとは異なる） reference: ICFA Instrum.Bull.23:28-41,2001 (mm) 短波長限界：MPPC表面で反射、吸収 長波長限界：MPPC内部で吸収されず 通過してしまう 2015/9/30 フレーバー物理研究会 名古屋大学 山岡美緒 19 読み出し回路 と laser Picosecond Injection Laser(640nm) Schwarzachildstr （Germany） パルス幅・・・～35ps jitter ・・・ 3～4ps 2015/9/30 Stabilized Picosecond Light Pulser C4725 (410nm) 浜松ホトニクス社 パルス幅・・・<50ps jitter ・・・ <10ps フレーバー物理研究会 名古屋大学 山岡美緒 20 Aerogel RICH counterの能力 チェレンコフ放出角qcの決定精度 Aerogel 薄 角度分解能 悪 検出光子数 大 Aerogel 厚 Photon detector 角度分解能 良 検出光子数 少 qp q K 粒子識別能力 : S sq Photon detector Npe 2 2 2 s q s emit s pixel s etc •チェレンコフ光発生点のふらつき : σemit •ピクセルの分解能：σpixel 2015/9/30 •1光子当りの角度分解能 : σθ •検出光子数 : Npe pとKのチェレンコフ放出角の差 qp qK 23 mrad (屈折率 : 1.05、P = 4GeV/c) フレーバー物理研究会 名古屋大学 山岡美緒 21 ピンホールからの光の広がり Φ50μmの受光面が動く Filter…３０％ MPPC HPK400-09 1mm2 各点でのエントリー数を測定 2015/9/30 Moving stage X σ＝２７μｍ フレーバー物理研究会 名古屋大学 山岡美緒 MPPC Φ50,200μm φ50μm laser NDfilter Ｙ σ＝３４μｍ 22 シミュレーション条件 ビーム： P=3.0GeV/c、π中間子 Aerogel： 屈折率1.047、厚さ30mm、 透過長36.3mm(@l=400nm) 500event 2015/9/30 フレーバー物理研究会 名古屋大学 山岡美緒 23 ライトガイドの形状最適化シミュレーション 角錐台ライトガイド 長さを変えながら各受光面サイズ で集光効率をシミュレーションする シミュレーションの設定 入射角0.3rad 入射光の波長400nm 内部吸収なし 材質：アクリル 屈折率：1.47 □1mmでの集光効率 最大～40%→ □1mmでは難しい □2mm以上では表面反射以外ロスのない形状が可能 2015/9/30 フレーバー物理研究会 名古屋大学 山岡美緒 24 ライトガイドデザイン入射角度による集光効率の変化 endcap部への飛来粒子角度・・ビーム軸から0.3～0.6rad（17～34°） Cherenkov角・・・0.3rad程度（P=4GeV/c） ⇒入射光子角度はトータルで0.0～0.6rad(0～34°) 角錐台ライトガイドの集光効率 0.3radの入射角で最適化した形状では 0.4radで集光効率が70%にまで落ちる 0.3rad以上の入射角でも集光効率がよ い長さにする必要有り？ しかしMPPCは磁場方向に影響されないため、各位置で ビーム衝突点方向を向けて並べられる →入射角～0.3radを考えておけばよい 2015/9/30 フレーバー物理研究会 名古屋大学 山岡美緒 25
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