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144chマルチアノードＨＡＰＤの
開発研究
イントロダクション
光検出器への要求
ＨＡＰＤの動作原理
144chマルチアノードＨＡＰＤの仕様
性能測定方法
多チャンネル同時読み出しシステム
まとめ
今後
名古屋大学理学研究科
馬塚優里
イントロダクション
エアロジェルRICH（Ring Image CHerenkov）カウンター
•Belle実験用新型K/π識別
装置
コンパクトな設計
シリカエアロジェル
光検出器
8 GeV e-
e+ 3.5 GeV
•チェレンコフ光の放出角の
情報でk/πを識別
エアロジェル
輻射体（1～2cm）
従来の閾値型チェレンコフ検出器
K/π
C
r
d
位置分解能のある光検出器
0.5GeV / c  p  2.0GeV / c
Up
リングイメージ型検出器
0.5GeV / c  p  4.0GeV / c
これまでの開発経緯
RICHの性能
角度分解能～14mrad
検出光子数～6個
エアロジェルの透過率向上
検出光子数～1.5倍に
4×4フラットパネルPMT
(H8500)
有効面積～89%
2004
性能向上のためのスタディ
マルチラディエーターの性能評価
6×6マルチアノードPMT
(R5900-M16)
有効面積～49%
2003
Systematic study完了
2002
基本原理の確認
2001
2000
イメージインテンシファイアで
エアロジェルを複数枚用いて
角度分解能を悪化させずに
光子数を増加
光検出器への要求
1.
2.
3.
4.
1光子検出可能
5mm程度の位置分解能を持つ
有効面積比が大きい
1.5Tの磁場中で使用可能
HAPD
Hybrid Avalanche Photo Detector
BELLE エアロジェルRICH用 HAPD
真空管+avalanche photodiode、近接型
LHCbで使用予定のHPD
真空管+photodiode、静電場でfocus
Pixel APD
•HV + Avalanche Gain (～104)
高Gainの獲得が可能
•磁場中で使用可能
•HV Gain のみ (～103)
•磁場中で使用不可能
エアロジェルRICH用光検出器として開発中
144ch マルチアノード型 HAPD
74mm
144-□4.9mm
浜松ホトニクス社と共同開発中
B
光電面材質 : マルチアルカリ
C
有効面積 : 64×64 [mm]
A
APD数 : 2×2 (Chip A,B,C,D)
D
１chip=36pixel
チャンネル数 : 144ch
(6×6ch / 1APD)
チャンネルサイズ : 4.9×4.9 [mm]
チャンネル間ピッチ : 0.6 [mm]
有効面積比 : 65 %
144 channel HAPDの外観
性能評価のセットアップ
アパーチャー
•2D方向にscanning可能なステージ
HAPD
PLP
可動ステージ
•スポット光～200mm
電流計
レンズ
測定項目




HV Gain、 avalanche Gainの測定
パルス測定 (CAMAC使用)
Uniformity 測定
(全読み出しチャンネルを短絡して測定)
位置分解能、クロストークの測定
(読み出しチャンネルを固定して測定)
HAPDのマルチアノード光検出器としての基本性能を評価する
HV、avalanche Gainの測定結果
HV Gain
●Chip A ch22
■Chip B ch22
▲Chip D ch22
Avalanche Gain
●Chip A
■Chip B
▲Chip D
Leak current
HV Gain : 1300 ～ 1900 ( 9 kV印加時)
Avalanche Gain : 40 (Chip D に400V印加時)
Total ～ 5×104
APD Bias 耐圧 : 328V (Chip A)
349V (Chip B)
415V (Chip D)
APDの個体差が大きい
パルス測定
1光子照射時の出力波形
Chip B
HV : 8.5kV
Bias : 305V
10mV
1光子照射時のADC分布
Mean = 68.0
σ(1photon) =
Pre-amp : CLEAR PULSE 580K
Shaping-amp : ORTEC 672 を使用
Mean
S/N = s(1photon)
= 9.3
1光子検出可能！
Uniformity(1)
Chip B
Chip B の全面をscan (pitch : 1mm)
[mm]
出力電流のUniformity
[mm]
光電面のUniformity
[mm]
[mm]
X,Y軸はPhotonの入射位置
QEが局所的に低い
＜QE＞ = 8%
Uniformity(2)
Total Gain のUniformity
[mm]
Total Gain
HAPD出力電流
光電面のUniformity
HV Gain + avalanche Gain
•HV Gain (8.5kV) : 1700
•Avalanche Gain (305V) : 5
～ Total Gain : 8500
Gain (Min)
= 70%
Gain (Max)
[mm]
ピクセルごとのAvalanche Gainの差が大きい
クロストーク
読み出しチャンネルに誘起される電流量
5%
(X,Y軸はphotonの入射チャンネル)
4.2%
2.8%
2.7%
隣接チャンネルで 3～5%
その他チャンネルは2%以
[ch]
[ch]
位置分解能(1)
管の側面側
管の内側
x軸方向の読み出しチャンネルを
固定し、0.1mm pitch で光源を動かす
ch2 ch3 ch4 ch5 ch6
I[A]
横１列分（6チャンネル）を測定
4.9mm
y
Chip B
x
位置分解能 : 約5mm
（側管付近を除く）
ch1
最も側管に近いチャンネルだけは
正常に反応していない
光を照射している位置
位置分解能(2)
光子
HV印加時に
入射窓と金具部分は同電位
同電位
入射窓
光電面
金具
側管付近の電場が歪む！
側管付近に入射した光子から
セラミック
電子
生成される電子はその軌道を
曲げられてしまう
磁場中(1.5T)で動作させることによって回避できる。
検証の必要あり
ＶＡを用いた多channel読み出しsystem
VAチップ



各チャンネル入力ラインにそれぞれcharge amp、shaper、
sample&hold回路
多channelの信号が1channelにシリアル化されて出力
K2K用に開発されたものを利用
VAボード

1boardにVA 2chip(裏と表)
1chipにつき32ch.
ＶＡを用いたパルス測定
VAボード
clock
LED
VME
DAQボード
HAPD
接続ボード
PC
GATE
1ch.にスポット照射
ＡＤＣカウントの負側にsig
出力
HV:-8kV,Bias:315V
1光子照射時のＡＤＣ分布
mean(signal )  mean( ped
S/N 
s (signal )  s ( ped ) / 2
～3
VAを用いてHAPDの1光子検出可能
実際にビームを当てて
チェレンコフ光を観測
まとめ
エアロジェルRICHのための光検出器
144chマルチアノード型HAPDの性能評価を行った
基本測定の結果
Gain : 1300×40=5×105, 1光子検出可能 (S/N = 9.3)
Uniformityの評価
Gain : min/max = 約70%, QE : 8％
クロストークの評価
隣接チャンネルで 3～5%
位置分解能の評価
約5mmの位置分解能を達成(最外チャンネルを除く)
エアロジェルRICHの要請を満たすHAPDの開発は可能
APDの個体差、マルチチャンネル特性改善の必要あり
開発研究の今後

クロストークの原因解明


ＶＡを用いた多チャンネル同時読み出しシステムの完成


ビームに直接当たったときの反応
磁場測定


全チャンネルのパルス測定
ビームテストの解析


APDのみで反射率測定
1.5Tの磁場中での振舞いを調査
エアロジェルＲＩＣＨ検出器用読み出し回路

多チャンネルを高速で読み出すためのＡＳＩＣの開発研究
ＢＡＣＫＵＰ！
HAPD
真空管光検出器技術と半導体技術の融合・・・新型光検出器
Ｓｉダイオードを利用・・・シグナルの高分解能(3.64eV/1電子・正孔対)
利得・・・光電子打ち込み
3
10
× アヴァランシェ効果 10
高利得、低雑音な回路での読み出しが必要
光電子打ち込み
時の後方散乱に
より理想値よりも
減少する
Belle検出器のEndcap部では磁場Ｂ // HAPD内の真空管内の電場
B // E
での安定動作
HAPD測定回路
正逆バイアス電圧印加時
Rf: 50Ω
R: 100MΩ
C: 10nF
位置分解能(1)
チャンネル中央から12mm角を
0.5mm pitchでscan
[mm]
X scan
Y scan
Next ch
Next ch
4.9mm
[mm]
[mm]
隣り合うチャンネルに対するクロストーク : 10%以下
斜め隣、2ch以上離れた部分にはほぼ影響なし
斜め隣
5%
2.8%
4.2%
隣接チャンネル
2.7%
[ch]
[ch]
[%]

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