ハイブリッド型光検出器の詳細評価と水タンク内における性能評価

ハイブリッド型光検出器の詳細評価と
水タンク内における性能評価
須田祐介
西村康宏A, 廣田誠子B, 岡島裕治C, 横山将志, 相原博昭, 中畑雅行A,
塩澤真人A, 早戸良成A, 中山祥英A, 田中秀和A, 中家剛B, 久世正弘C,
武多昭道D, 河合克彦E, 大村孝幸E, 鈴木正俊E
東大理, 東大宇宙線研A, 京大理B, 東工大理C, 東大地震研D, 浜松ホトニクスE
2014年3月28日東海大学
日本物理学会第６９回年次大会
1
開発の目的と流れ
Hyper-Kamiokandeで実用可能な20 高QE光センサの開発
(高QE=30%, Super-K PMT(20 )の1.4倍)
候補：HPD, Box&line(B&L) PMT, Super-K(SK) PMT
現在
性能評価
試作機製作
HPD
水チェレンコフ検出器を用いた
実証試験
20’’ 高QE
box&line PMT
高QE Super-K
PMT
8’’ HPD
2012
2013
（20 =508mm, 8 =203mm）
2014
2
2015
Hyper-K用光センサ決定
20’’ 高QE
2016
実証試験―Setup・ゲイン較正―
Laser diode
(λ=405nm) 200ton tank
ATM board
Control power
supply for HPDs
新型光センサの長期安定性や運
用の安全性から，各種センサの
Hyper-K用センサとしての実用
性を評価する
HV power supply
Cable
(70m)
Number of photodetectors
Electronics
2
Diffuser ball
200トン水タンク＠神岡鉱山
Ultra pure
2013年夏 8 HPD，高QE SK PMTと
SK PMTをタンクへ実装
2014年２月長期連続運転に移行
22
8 HPD 8
高QE SK PMT 5
SK PMT 227
20
Mean 7.669
18
RMS 0.2114
16
14
Within&±4.7%
12
1
10
8
6
4
2
0
7
7.2
7.4
7.6
7.8
8
8.2
0
8.4
p.e. mean(pC)
(pC)
1PE1 charge
1.5
1.5
2
2
2.5
2.5
3
3
1PE charge (pC)
タンク内において全センサのゲイン較正を行った
3
3.5
3.5
Numb
140
120
実証試験―性能―
100
80
60
40
20
0
0
10
20
40
50
60
70
80
90
Charge [pC]
Laser diodeを用いて，時間性能・１光電子分布を測定
HPD 216
103 Ch7 (EHD0095)
Timing resolution
30
2
10
Δt#in#8”#HPD
8
HPD
102
w/ 1PE cut
左右異なるσをもつ
非対称GaussianでFit
10
10
σ
1
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Charge [pC]
Number of events
HQE 229 1Ch4 (ZP0007)
-60
-40
-20
0
20
Δt#in#HQE#PMT
高QE
SK PMT
40
60
Time [ns]
Number of photosensors
Number of events
Number of events
HQE 229 Ch4 (ZP0007)
8 HPD
Normal'QE'PMT'
高QE
SK PMT
High'QE'PMT'
SK PMT
8”'HPD
10
Note: 高QE SK
PMTは通常のSK
PMTよりも第１
ダイノードまでの
電圧を低めに設定
w/ 1PE cut
2
10
1
10
2
2.5
3
3.5
1
-60
-40
-20
0
-20
0
40
20
25000
8 HPD
高QE SK PMT
Pedestal
20000
1PE
15000
1PE
1PE resolution:
~30%%σ
2000
1PE resolution:
10000
1000
0
~40(50%%σ
5000
-5
0
5
[ns]
(σ右＋σ左)/2 (ns)
60
Time [ns]
4000
3000
4.5
Time (ns)
Pedestal
5000
1PE charge
distribution
20
4
Peak in
10
15
0
20
25
Charge [pC]
-2
0
2
4
6
8
10
12 14 16
Charge [pC]
タンク内においてもHPDは時間性能・１光電子分解能ともに優れていることがわかる
4
20 光センサ開発
New!
HPD
Box&line PMT
・HV= 8kV
・短い経路長
・高い打ち込みゲイン
・プリアンプが必要
Avalanche
diode (AD) ・低価格の可能性あり
e-
HPK
e-
・HV=1 2kV
・ほぼ定まった
軌道をもつ
Box
・高い収集効率
Line
Venetian blind
dynode
e-
HPK
Box&line dynode
HPK
Super-K PMT
・HV=1 2kV
・複数の軌道の可能性
・初段で増幅されない
ことがある
・Super-Kでの17年
におよぶ高い実績
20 高QE HPD（5mmΦ AD）と20 高QE box&line PMTの
試作初号機を製造し，基本性能を初めて測定した
Note: 今回のHPD試作機は収集効率が低い，実際には20mmΦ ADを使用予定
HPDのプリアンプ，B&L PMTのダイノード・ブリーダー回路も開発途中
5
20 センサ―波形―
数十光電子程度の光量を入射，波形サンプルを平均化した波形
Normalized pulse height
0.3
0.2
0.1
0
-0.1
-0.2
-0.3
-0.4
-0.5
-0.6
-0.7
-0.8
-0.9
-1
-1.1
Pulse width
10%
90%
20-inch high-QE HPD(5mm dia. AD) w/ preamp.
Rise time
Fall time
20-inch high-QE box&line PMT
Super-K PMT
-40 -20
HPD*
7.4
11.5
25.5
0
20
40
60
B&L PMT SK PMT
6.2
10.6
6.3
13.1
16.7
31.4
Rise time (ns)
Fall time (ns)
Pulse width
*...5mmΦ AD, w/ preamp.
(ns)
6
80 100 120 140
Time (ns)
応答特性はB&L PMTが良い
HPDはプリアンプにより応答が遅く
なっている（本来はRise time 1.9ns）
20 センサ―ゲイン―
6 HPD
×
10
45
40
35
30
(5mmΦ AD) w/ preamp.
Gain
Gain
Bias電圧を変えていき，出力電荷をADCで測定
χ2 / ndf
24.77 / 7
Prob
0.000832
p0
-2.694e+07 ± 7.131e+06
a
p1
400.4 ± 9.029
b
c
p2
-1.716 ± 0.233
PMT
×106
60
20-inch high-QE B&L PMT
Super-K PMT
50
χ2 / ndf
28.22 / 7
Prob
40
0.0002004
p0
3.039e-13 ± 2.443e-14
p1
5.96 ± 0.01029
25
30
20
15
20
10
10
5
0
200
220
240
0
1200
260
280
300
AD bias voltage (V)
1400
1600
1800
2000
2200
2400
HV (V)
Fit関数: Gain=αVβ
Fit関数: Gain=a/(1-(V/b)c)
20 高QE HPD，20 高QE box&line PMTともに
正しく動作していることを確認
7
20 センサ―１光電子分解能―
出力電荷をADCで測定
HPD (5mmΦ AD) w/ preamp.
400
PMT
1.4
Pedestal
350
Super-K PMT
Peak
300
250
1.2
BLPMT
1
1PE
1PE
0.8
200
σ
150
-2
0
2
4
1PE resolution σ/μ
Peak/Valley
μ 6
0
8
10
Charge (pC)
χ 2 / ndf
Prob
0.06208 / 43
1
0.9511± 0.2305
2.219 ± 0.216
0.7856 ± 0.2382
VB PMT
0.2
Valley
500000
0.143
0.7891
Entries
Mean
RMS
χ2 / ndf
Prob
Constant
Mean
Sigma
0.4
50
Entries
Mean
RMS
Constant
Mean
Sigma
0.6
100
0
20-inch high-QE box&line PMT
Pedestal
-4
20 HPD* B&L PMT
16%
35%
3.9
4.3
-2
0
2
SK PMT
53%
2.2
4
6
500000
0.02509
0.621
0.1397 / 57
1
0.946 ± 0.198
2.222 ± 0.293
1.18 ± 0.38
8
10
Charge (pC)
8 HPD
12%
5.2
*...5mmΦ AD, w/ preamp.
１光電子分解能はHPDの方がPMTよりも良い
Box&line PMTはSuper-K PMTより優れた１光電子検出能力を持つ
8
20 センサ―時間分解能―
TDCでTransit time（光源から光子が放出されてから信号
として出力されるまでの時間ゆらぎ）を測定
1
20-inch HPD
Gaussianと
exponentialの
合成関数でFit
HPD
Entries
Mean
RMS
χ2 / ndf
Prob
p0
p1
p2
(5mmΦ AD)
0.8
w/ preamp.
1
50000
0.5428
3.318
0.1915 / 31
1
-1.156 ± 1.392
1.348 ± 0.847
0.9809 ± 1.7435
Transit Time
PMT
20-inch high-QE B&L PMT
0.8
BLPMT
Entries
Mean
RMS
χ2 / ndf
Prob
p0
p1
p2
0.6
σ
FWHM
0.4
0.4
0.2
0.2
-10
-5
0
5
10
Timing resolution σ (ns)
FWHM (ns)
FWHM計算値 (ns)
15
0
20
25
Time (ns)
20 HPD
1.4*
3.4*
0.75**
0.5PE
Super-K PMT
0.6
0
-15
光源トリガー
100000
205.6
3.538
0.26 / 96
1
-1.409 ± 0.595
1.077 ± 0.448
0.4097 ± 0.1318
VBPMT
Entries
Mean
RMS
χ2 / ndf
Prob
p0
p1
p2
-20
-15
B&L PMT
1.1
4.1
2.7
-10
-5
0
SK PMT
2.1
7.3
5.5
5
10
15
100000
203.5
4.676
0.7586 / 139
1
-2.024 ± 0.915
2.059 ± 0.665
0.2544 ± 0.0771
20 25
Time (ns)
8 HPD
1.1
3.3
0.62***
*...5mmΦ AD w/ preamp, **...20mmΦ AD w/o preamp., ***...5mmΦ AD w/o preamp.
HPD，B&L PMTともに時間分解能はSuper-K PMTより優れている
9
まとめと今後
•
•
Hyper-Kにむけて20 高QE光センサを開発中
8 HPD, 高QE Super-K PMTを200トン水チェレンコフ検出器内
で実証試験中
•
•
8 HPDはPMTよりも良い時間分解能・１光電子分解能をもつ
20 高QE HPD (5mmφ AD)・20 高QE box&line PMTの試作初
号機を開発，基本性能を初めて評価した
•
Super-K PMTよりもHPD，Box&line PMTの方が優れている
Rise time (ns)
1PE resolution σ
Timing resolution σ (ns)
20 HPD*
7.4
16%
1.4
B&L PMT
6.2
35%
1.1
SK PMT
10.6
53%
2.1
*...5mmΦ AD w/ preamp
•
20 HPDの設計・プリアンプ開発，各センサの詳細な測定を行い，
実証試験の結果と合わせて2016年までにHK用光センサを決定
10

Download Report