2007/3/22-23 学術創成評価委員会
TOPカウンター開発の現状
- TOPカウンター
- 光検出器(MCP-PMT)
- フォーカスミラー
居波賢二、松村太伊知、
福井謙一、川出健太郎
TOPカウンター (1)


Belle実験の測定器改良案として開発中
チェレンコフ光を利用した粒子識別装置(p/K)
1.2m
1.5T
2.6m
e-
8.0GeV
e+
3.5GeV
改良型Belle測定器断面(案)
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TOPカウンター (2)

石英を用いたイメージング


石英輻射体で発生したチェレンコフ光を端面まで内部反射
(全反射)させ、スクリーン上の20個程度の光の到達点から
リングイメージを再構成
光の到達点は光電子増倍管などで測定
同じ運動量のpとKでは速度が異
なるため、リングイメージがずれる。
大きいスクリーンが必要
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TOPカウンター (3)

2次元位置情報  位置+時間

コンパクト化に成功
シミュレーション
2GeV/c, q=90 deg.
1次元読み出し
(~5mm)
時間分解能 s~40ps
時間
~2m
K
p
~200ps
同じ運動量ではリングの開きが異なる
 伝播距離(=伝播時間が異なる)
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TOPデザイン

石英: 255cmL x 40cmW x 2cmT


フォーカスミラー
色収差による悪化を補正
マルチアノード GaAsP MCP-PMT

5mmピッチチャンネル, 良い時間分解能(<~40ps)
MCP-PMT
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期待される性能

K/p分離能力

GaAsP光電面 + フォーカスミラー
4GeV/cまで 4s K/p分離が可能
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6
R&D項目

光検出器

角型MCP-PMT開発





浜松ホトニクスとプロトタイプの製作
時間分解能の確認(<40ps)
寿命測定
フォーカスシステム


マルチアルカリ光電面
寿命測定 (>5 years)
 GaAsP光電面


(Key component)
フォーカスミラーの形状精度測定
読み出し回路


Focus Mirror
Constant fraction discriminator
+HV divider module
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光検出器に要求する性能
1. 1光子検出可能
2. 1光子に対する時間分解能 σ~40ps
3. 磁場中で使用可能 (B=1.5T)
4. 位置分解能 ~5mm
5. 高い量子効率・収集効率
全ての要求を満たす可能性のある
光検出器としてMCP-PMTを研究開発
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MCP-PMT
Channel
f~10mm
~400mm
MCP – Micro Channel Plate
 直径数mm-数十mmのガラス
パイプを多数束ねた構造
 パイプ各々が独立した二次
電子増倍部
 MCP一段の薄さ1mm以下
-特徴 高Gain~105-106(MCP2段内蔵)
 高時間分解能σ<~40psec
 平行磁場中で使用可能
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角型MCP-PMT (1)
SL10
TOPカウンター用光検出器として
浜松ホトニクス社と共同開発
 省デッドスペース
 位置情報
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外形
27.5x27.5x14.8mm
有効面(外形に対する比)
22x22mm(64%)
光電面
マルチアルカリ
量子効率
~20%(λ=350nm)
MCPチャンネル径
10μm
MCP段数
2段
MCP表面Al蒸着
なし
開口率
~60%
アノード
4チャンネルリニアアレー
アノード有効面(1ch)
5.3x22mm
アノード間ギャップ
0.3mm
角型メタルパッケージにより有効面64%
4チャンネルリニアアノード(5mmピッチ)
10
角型MCP-PMT (2)






1光子検出可能
立ち上がり時間~400ps
Gain=1.5x106 @B=1.5T
時間分解能(1光子) ~30ps
@B=1.5T
位置分解能<5mm
収集効率~50%
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Rise time ~400ps
1光子照射
時間分解能 σ~30ps
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寿命測定

Super B factory環境下を想定し、ビームバックグラウンドによ
る高ヒットレートに対する耐性をテスト

量子効率、ゲイン、時間分解能
HPK (x2)
O
X
Russian (x5)
Al protection
O
X
4065%
60% 55-60%
Correction eff. 37%
Effective area
11mmf
18mmf
Gain
1.9x106 1.5x106
3-4x106
TTS
34ps
29ps
30-40ps
Photo-cathode
Multi-alkali (NaKSbCs)
Quantum eff. at
400nm
21%
19%
16-20%
Bias angle
13deg
5deg
 LED パルス(400nm, 1~5kHz, 20~100p.e./pulse)で負荷
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寿命測定結果 - 量子効率(Q.E.) 

1光子状態のレー
ザーパルスを入射し
てQ.E.を評価
Al保護膜なし


Al保護膜あり



1年相当で50%以下
相対的に長寿命
ロシア製は不十分
HPK Al保護膜ありの
MCP-PMTは十分な寿
命を持つ
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寿命測定結果 - ゲイン 

1光子検出での出力
電荷から評価
<1013photons/cm2


>1013photons/cm2



急激に低下
緩やかに低下
1光子検出: OK
印加電圧を上げるこ
とでゲインが回復
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寿命測定結果 - 時間分解能(TTS) 
一光子照射時の時間分解能


寿命測定前後
分解能に影響無し

~35psを維持
Russian w/ Al(#32) Russian w/o Al (#6)
-before s=31ps
s=36ps
-after
HPK w/o Al
HPK w/ Al
s=29ps
s=33ps
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s=43ps
s=32ps
s=34ps
s=34ps
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Chromaticity (色収差)

検出時間がチェレンコフ光の波長に依存して変化

時間分解能の悪化
 リングイメージの分離能力の悪化

石英中での光の伝播速度の波長依存性
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GaAsP光電面MCP-PMT


高い量子効率
長波長に感度 → 波長分散効果が少ない
石英中の光の伝播速度
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GaAsP MCP-PMT 開発


角型MCP-PMT + GaAsP光電面
プロトタイプ (HPK)



Al保護膜あり
2ステージのMCP


Target structure
GaAsP光電面
f10mm hole
4chアノード
CAMAC
36dB

基本性能テスト

PLP
PMT
AMP
ADC
DISC
there 100mV
DISC
BLACK BOX
DIV
GATE
λ=407nm
FILTER
Jitter~10ps
時間分解能
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ATTN
25ps/1bin
TDC
there 20mV
START
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GaAsP MCP-PMT 基本性能

一光子照射時の出力波形, ADC, TDC分布
pedestal
TTS~35ps
single
photon
peak
Single p.e.
0.5ns/div
20mV/div



Gain~
0.64×106
一光子を検出するために十分なゲイン
35psの十分良い時間分解能
ダークカウント:数kHz


MCP増幅部は正常に動作
光電面の時間分解能に対する影響は少ない
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GaAsP MCP-PMT; Q.E. 分布

プロトタイプの測定結果

マルチアルカリ光電面と比較して

良い量子効率


>35% at 500nm
長波長に感度
Light propagation
velocity inside quartz

寿命測定を開始

Q.E.の劣化が一番の問題点
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フォーカスシステム

色収差を直接補正するために、チェレ
ンコフ角の波長依存性を利用
 フォーカスミラーで角度情報を位置
情報に変換
 時間とx,yの3次元情報からリングイ
メージを再構成
 長い伝播距離を稼ぐことによって、
細長いミラーと読み出し面でも分離
能力が良い
θ c (λ ) = cosー1(
1
)
n(λ )β
Focus Mirror
PMT
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Focusing TOPの分離能力

GaAsP光電面(+>400mm filter), CE=36%
4.3s p/K分離 at 4GeV/c
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フォーカスミラー

プロトタイプを製作



40x2x2cm, R=5m
石英バー端面に接着
形状測定


連続的な鏡像となる形状か?
測定手法の確立
Focusing mirror
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測定方法

レーザー変位計の構造
レーザー変位計で厚みを測定
レーザー変位計とは・・・
対象物にレーザー光を投光、 CCD上での反射光の
受光位置により、対象物との距離を測定する。
(本測定では正反射光を受光)
Z X
レーザー変位計(固定)
石英bar
(可動)
Y
(1)上下の変位計がbarまでの距離を測定
(2)二つの距離の差をbarの厚み情報へ
(3) ステージをX・Y方向に動かし、
厚みの変位を観測
⇒一番厚い箇所が頂点
利点
自動ステージに乗せ ☆測定中に動かなければ、設置の際に変位
XY方向にスライド
計・barが多少ずれて設置されていても影響無
し
☆測定中、barまたは変位計2つがZ方向に振
動しても、厚みは変化しない。
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測定装置製作
レーザー変位計
X
Y
Z
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測定結果


平面部で装置の測定精度を
確認
 s=3.5mmの厚み精度
曲面部の頂点位置
 4.9±0.2mmのずれ
 平面部を再研磨して補正
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まとめと今後

光検出器MCP-PMT

GaAsP光電面角型MCP-PMTの開発


1光子検出可能で、~35psと十分な時間分解能
寿命測定を開始


フォーカスシステム

フォーカスミラーの形状測定


アルカリ系光電面では十分な寿命であることを確認済み
約5mmのずれを確認  再研磨
今後

GaAsP光電面MCP-PMTの寿命測定



さらにいくつかのプロトタイプを製作しテスト
フォーカスミラーの精度向上輻射体プロトタイプの製作
エレクトロニクスの開発

AMP, CFD, TDC
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Electronics

C.F.D.







Constant fraction discriminator
Compact test module
8ps timing jitter: OK
+ MMIC AMP on board
+ HV divider
 PMT module
5cm
TAC, Backend


TAC-IC, TDC
DAQ interface
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ダウンロード

TOPカウンター開発の現状(居波)