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-------------- GaAsP SL10の性能評価 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 長波長領域での高い感度 ピークQE>30% M.A. MCP-PMT ですでに達成 現在の課題 波長分散による石英伝搬 時間の揺らぎの緩和 検出光子数の増加 GaAsP光電面で達成可能！

GaAsP光電面の特徴 TOPの要求を満たし得る！ 長波長領域におけるQE大 GaAsP (peak:40%@540nm) 群速度差が減少！ 波長分散による時間の揺らぎの緩和 0.21 0.20 0.19 0.18 0.17 group velocity(m/ns) 10 20 30 40 50 QE 0.013 m/ns 0.009 m/ns GaAsP (peak:40%@540nm) Multi Alkali 長波長領域におけるQE大 群速度差が減少！ 検出光子数の増加 QEの絶対値が大きい 光電子数=Σ(発生光子数×QE) 発生光子数 ∝λ-2 光電子数増加！ GaAsP Multi-Alkali ΔV (m/ns) 0.009 0.013 検出 光子数比 1.47 1.00 200 400 600 800 1000 1200 TOPの要求を満たし得る！ Lambda (nm)

GaAsP SL10 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 3.3%(λ=540nm) あり MCP表面Al蒸着 2段 MCP段数 4ch. アノード 27.5x27.5x14.8mm 外形 22x22mm(64%) 有効面(対外形比) ～60% 開口率 10μm MCPチャンネル径 量子効率 GaAsP 光電面 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 22.5x22.5mm GaAsP HPK6 φ6μm 1ch. φ11mm

測定内容とSET UP 波形 Gain TTS 測定内容 3つのPMTについて を、single photon照射で測定する。また、Dark count の測定も行う。 SET UP DISC PLP PMT ATTN AMP DIV TDC ADC FILTER BLACK BOX λ=407nm Jitter～10ps there 100mV 36dB there 20mV 25ps/1bin CAMAC START GATE Band width<1.5GHz 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 SL10 ： 立ち上がり～500ps HPK6 ： 立ち上がり～400ps 0.5ns/div 20mV/div 0.5ns 測定条件： single p.e. 0.5ns/div 20mV/div 0.5ns GaAsP SL10 Multi-Alkali SL10 0.5ns/div 5mV/div 0.2ns/div 20mV/div GaAsP HPK6 0.4ns SL10 ： 立ち上がり～500ps HPK6 ： 立ち上がり～400ps

GainとDark count GaAsP SL10 Multi-Alkali SL10 GaAsP HPK6 ADC分布 Gain～ 100 125 150 175 200 400 600 adc 1bin/0.25pc GaAsP SL10 count pedestal single photon peak Gain～ 0.96×106 100 120 140 count 200 400 600 800 1000 Multi-Alkali SL10 pedestal single photon peak 0.50×106 Gain～ adc 1bin/0.25pc GaAsP HPK6 Gain～ 1.3×106 single photon peak pedestal 200 400 600 800 100 150 250 adc 1bin/0.25pc count 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 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？ TDC分布 -20 -10 tdc 1bin/25ps 10 20 2000 4000 count GaAsP SL10 TTS～42ps 1000 3000 1000 -20 -10 10 20 tdc 1bin/25ps Multi-Alkali SL10 2000 3000 count TTS～33ps 4000 6000 -10 -20 10 20 GaAsP HPK6 TTS～32ps tdc count 1bin/25ps 2000 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？

Multi-Alkali MCP-PMTのLifetime 測定

Motivation x 20!! TOP counter用光検出器 MCP-PMT Luminosity L ～1 x 1034 @present B 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) x 20!! MCP-PMT(SL10) Present B-factory Super B-factory Luminosity (/cm2/sec) ～1 x 1034 ～2 x 1035 BKG particle (through the one TOP counter) rate (Hz) 44K (from simulation) 880K Detected Photon (/ particle) ～7 PMT effective area (cm2) 90 (20PMTs) Detected photon (/cm2/sec) 68K Output Charge (mC/cm2/year) ～700

MCP-PMTの特性・仕様 HPK(R3809U-50-11X) BINP Al保護膜 MCP1枚目IN側に蒸着 厚み～10-20nm Maker HPK BINP 有効面 f11mm f18mm 光電面 Multialkali QE @400nm 21% 19% 16-20% C.E. 37% 65% 40-60% 55-60% Al-layer Yes No Gain 1.9x106 1.5x106 3-4x106 TTS 34ps 29ps 30-40ps Dark count 0.38K 1.5K 10-300K HV 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) 温度20-23℃、湿度20-40% 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) PLPで性能変化を測定(λ= 408nm) 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 「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 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) Rel. Q.E.～0.9±0.08@700mC/cm2 ～0.8±0.08@1100mC/cm2 ●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製・Al膜あり」であれば1年間で わずか～10%のQ.E.ドロップ (@l=400nm)

Gain @0-200mC/cm2 : 急激にGainDrop。Relative Gain ～80% －before －after －after(+200V) BINP w/o Al (#11) BINP w/ Al (#32) BINP w/ Al (#35) HPK w/ Al HPK w/o Al BINP w/o Al (#6) Gain=106 ●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) @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！ BINP w/ Al(#32) BINP w/o Al (#6) ●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) －before －after s=31ps s=36ps s=36ps s=39ps HPK w/ Al HPK w/o Al 30ps s=29ps s=33ps s=34ps

本日のまとめ TOPカウンター用MCP-PMTの研究開発 GaAsP SL10はTOPカウンターの要求を満たしている。 Multi-Alkali光電面MCP-PMTのLifetime測定 GaAsP SL10 Multi-Alkali SL10 GaAsP HPK6 立ち上がり (ps) 500 400 Gain 0.96×106 0.50×106 1.3×106 TTS (ps) 42 33 32 GaAsP SL10はTOPカウンターの要求を満たしている。 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 TTS (ps) (after) <40 33 34 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！