GaAsP光電面角型MCP-PMT

TOPカウンター用
MCP-PMTの研究開発(2)
名古屋大学理学研究科 N研
永峰宗典居波賢二岸本直樹
-------------Outline-------------1. GaAsP SL10の性能評価
2. Multi-Alkali MCP-PMTのLifetime測定
GaAsP SL10の性能評価
TOPカウンターとPMT
TOPカウンターとは？
• Belle実験用に開発している粒子識別装置
• 発光媒体である合成石英と光検出器からなる
• コンパクトかつシンプルなのが特徴
• 位置情報 x と時間情報 t からリングイメージを再構成
• 全領域で4σ@4GeV/cの性能
TOPカウンター用PMTに求められる性能
• 一光子検出可能
• 一光子での時間分解能(TTS)σ<50ps
• 磁場(B=1.5T)中で動作可能
M.A. MCP-PMT ですでに達成
現在の課題
• 長波長領域での高い感度
• 波長分散による石英伝搬
時間の揺らぎの緩和
• ピークQE>30%
• 検出光子数の増加
GaAsP光電面で達成可能！
GaAsP光電面の特徴
• 波長分散による時間の揺らぎの緩和
50
40
長波長領域におけるQE大
GaAsP (peak:40%@540nm)
QE
群速度差が減少！
30
• 検出光子数の増加
20
QEの絶対値が大きい
Multi
Alkali
10
光電子数=Σ(発生光子数×QE)
group velocity(m/ns)
0
0.21
発生光子数 ∝λ-2
0.013 m/ns
0.19
ΔV
(m/ns)
0.18
0.17
200
光電子数増加！
0.009 m/ns
0.20
検出
光子数比
400
600
800
1200
1000
Lambda (nm)
GaAsP
Multi-Alkali
0.009
0.013
1.47
1.00
TOPの要求を満たし得る！
GaAsP SL10
外形
27.5x27.5x14.8mm
有効面(対外形比)
22x22mm(64%)
光電面
GaAsP
量子効率
3.3%(λ=540nm)
MCPチャンネル径
10μm
MCP段数
2段
MCP表面Al蒸着
あり
開口率
～60%
アノード
4ch.
SL10
TOPカウンター用光検出器として浜松
ホトニクス社と独自に共同開発
今回の測定で用いたMCP-PMT
MCP-PMT
メーカー
MCPチャンネル
アノード
有効面
GaAsP SL10
HPK
φ10μm
4ch.
22x22mm
Multi-Alkali SL10
HPK
φ10μm
4ch.
22.5x22.5mm
GaAsP HPK6
HPK
φ6μm
1ch.
φ11mm
測定内容とSET UP
測定内容
3つのPMTについて
波形
Gain
TTS
を、single photon照射で測定する。また、Dark count の測定も行う。
SET UP
CAMAC
Band width<1.5GHz
36dB
PLP
PMT
ATTN
AMP
DIV
ADC
GATE
λ=407nm
FILTER
Jitter～10ps
DISC
there 100mV
DISC
BLACK BOX
25ps/1bin
TDC
there 20mV
START
• TDCのSTARTとADCのGATEには、光源のTRIGGERを用いている。
• 光源のパルス幅～20ps
波形
測定条件： single p.e.
Multi-Alkali SL10
GaAsP
SL10
0.5ns
0.5ns/div
20mV/div
0.5ns/div
5mV/div
GaAsP HPK6
SL10 ：立ち上がり～500ps
0.4ns
0.2ns/div
20mV/div
HPK6 ：立ち上がり～400ps
GainとDark count
pedestal
600
1000
single
photon
peak
400
Multi-Alkali SL10
pedestal
600
Gain～
0.50×106
400
200
100 125 150 175
adc 1bin/0.25pc
pedestal
single
photon
peak
600
400
Gain～
1.3×106
200
200
0
GaAsP HPK6
800
single
photon
peak
800
Gain～
0.96×106
count
GaAsP SL10
count
count
ADC分布
0
100
120
adc
140
0
100
150
1bin/0.25pc
200 250
adc 1bin/0.25pc
GaAsP SL10
Multi-Alkali SL10
GaAsP HPK6
Dark count (kcps)
1.6
0.086
2.2
Gain
0.96×106
0.50×106
1.3×106
増幅部の構造、および印加電圧の等しい2つのSL10 は同程度のGainが得られて
いるので、GaAsP SL10の増幅部は正常に作動している。
TTS
4000
TTS～42ps
Multi-Alkali SL10
3000
TTS～33ps
count
GaAsP SL10
count
count
TDC分布
GaAsP HPK6
6000
TTS～32ps
3000
2000
4000
2000
1000
2000
1000
0
-20
-10
0
tdc
10
20
1bin/25ps
0
-20
-10
0
tdc
10
20
1bin/25ps
0
-20
-10
0
tdc
10
1bin/25ps
• GaAsP SL10は TOPの要求TTS<50ps を満たしている。
• TTS～42psは改善の余地あり！
光電面に原因？
20
Multi-Alkali MCP-PMTの
Lifetime 測定
Motivation
TOP counter用光検出器
 MCP-PMT

Luminosity
 L ～1 x 1034 @present B
x 20!!
 L ～2 x 1035 @SuperB

高頻度Back ground粒子(spent electron)

PMTの出力電荷量～700 mC/cm2/yearと想定
(@PMT Gain = 2 x 106)

MCP-PMTの寿命決定原因
 Gain低下 (MCPの組成変化)
 Q.E.低下(イオンフィードバックによる光電面劣化)
Present B-factory
Luminosity (/cm2/sec)
～1 x 1034
44K
BKG particle (through the one
TOP counter) rate (Hz)
(from simulation)
Detected Photon (/ particle)
PMT effective area (cm2)
Detected photon (/cm2/sec)
Output Charge (mC/cm2/year)

MCP-PMT(SL10)
Super B-factory
～2 x 1035
880K
～7
90 (20PMTs)
68K
～700
MCP-PMTの特性・仕様
HPK(R3809U-50-11X)
BINP
Maker
HPK
有効面
光電面
QE @400nm
C.E.
Al-layer
Gain
TTS
Dark count
HV
f11mm
21%
37%
Yes
1.9x106
34ps
0.38K
3.4kV
BINP
f18mm
Multialkali
19%
16-20%
65%
40-60% 55-60%
No
Yes
No
1.5x106
3-4x106
29ps
30-40ps
1.5K
10-300K
3.4kV
3.6kV
2.9kV
Al保護膜
• MCP1枚目IN側に蒸着
• 厚み～10-20nm
• イオンフィードバック抑制
• 光電子透過率～60%
SET UP

LEDで負荷を与える(λ= 400nm)




PLPで性能変化を測定(λ= 408nm)




パルス周波数 1KHz or 5KHz
検出光子数(/パルス）～20-100p.e.
負荷スピード: 2～10mC/cm2/day (Cf. ～2mC/cm2/day @ SuperB)
1光子照射
測定項目: Gain, efficiency(Q.E.), TTS
Calibration PMTで光量補正
温度20-23℃、湿度20-40%
量子効率(Q.E.) @400nm



w/o Al (BINP & HPK)
Rel. Q.E.< 0.5 @50mC/cm2
 Al膜は必要である。
w/ Al (BINP)
Rel. QE = 0.1-0.5 @700mC/cm2
 BINP製はAl膜ありでも不十分
w/ Al (HPK)
2
Rel. Q.E.～0.9±0.08@700mC/cm

～0.8±0.08@1100mC/cm2
「HPK製・Al膜あり」であれば1年間で
「HPK製・Al膜あり」であれば1年間で
わずか～10%のQ.E.ドロップ
わずか～10%のQ.E.ドロップ
(@l=400nm)
●HPK w/ Al ●BINP w/ Al(#32)
○HPK w/o Al ▲BINP w/ Al(#35)
▼BINP w/ Al(#38)
○BINP w/o Al(#11)
△BINP w/o Al(#6)
Gain
－before
－after
－after(+200V)
BINP w/o Al (#11) BINP w/ Al (#32) BINP w/ Al (#35)
●HPK w/ Al ●BINP w/ Al(#32)
○HPK w/o Al ▲BINP w/ Al(#35)
▼BINP w/ Al(#38)
○BINP w/o Al(#11)
△BINP w/o Al(#6)




HPK w/ Al
HPK w/o Al
BINP w/o Al (#6)
Gain=106
@0-200mC/cm2 : 急激にGainDrop。Relative Gain ～80%
@200mC/cm2～ : 緩やかなGainDrop。
@700mC/cm2 : Relative Gain ～60-80% (BINPでは～100%のPMTあり。)
HV(+200V )upによりGain回復。
TTS


Life Time測定中は室内の温度変化・NoiseによりTTS悪化
TTS<40psec @Gain>106
→ 測定後TTS = 33psec (HPK w/ Al), TTS=35-40ps (BINP w/ or w/o Al)
M.A. MCP-PMTは、SuperBでの
一年以上の使用に耐えうる！
●HPK w/ Al ●BINP w/ Al(#32)
○HPK w/o Al ▲BINP w/ Al(#35)
▼BINP w/ Al(#38)
○BINP w/o Al(#11)
△BINP w/o Al(#6)
BINP w/ Al(#32)
－before
－after
BINP w/o Al (#6)
s=31ps
s=36ps
s=36ps
s=39ps
HPK w/o Al
HPK w/ Al
30ps
s=29ps
s=33ps
s=34ps
s=34ps
本日のまとめ
TOPカウンター用MCP-PMTの研究開発
1. GaAsP SL10の性能評価
GaAsP SL10
Multi-Alkali SL10
GaAsP HPK6
立ち上がり (ps)
500
500
400
Gain
0.96×106
0.50×106
1.3×106
42
33
32
TTS (ps)
GaAsP SL10はTOPカウンターの要求を満たしている。
2. Multi-Alkali光電面MCP-PMTのLifetime測定
BINP w/
HPK w/
BINP w/o
HPK w/o
Rel. QE (@700mC/cm2)
<0.5
0.9
<0.3
<0.1
Rel. Gain (@700mC/cm2)
<1
0.6
<1
<0.5
<40
33
<40
34
TTS (ps) (after)
Al膜ありでも不十分
HV up により回復！
Al膜が必要
M.A. MCP-PMTはSuperBでの１年以上の使用に耐えうる！

Download Report