MPPCを用いたAerogel RICH counter用光検器の開発研究

Presentation on theme: "MPPCを用いたAerogel RICH counter用光検器の開発研究"— Presentation transcript:

1 MPPCを用いたAerogel RICH counter用光検器の開発研究
名古屋大学 N研究室修士２年 　山岡美緒 1, イントロダクション 2, 3mm角MPPC基本性能測定 3, ライトガイドを接続した性能評価 4, まとめ

2 イントロダクション 現在のK/p識別装置 閾値型Cherenkov counter 高運動量(P～4GeV/c) でも識別したい
KEKBファクトリー実験 : 電子陽電子衝突型加速器でB中間子を大量生成 B中間子の崩壊過程を精密測定 Belle検出器 : B中間子の崩壊終状態に現れる粒子を検出 現在のK/p識別装置 閾値型Cherenkov counter e-(8.0GeV/c) e+(3.5GeV/c) （Endcap部分では　　　　P>2GeV/cでは識別不可) B=1.5T 高輝度Bファクトリー実験向けて 高運動量(P～4GeV/c) 　　　　　　でも識別したい barrelACCはP=3.5GeVまで識別可能 B0,B→J/ψKsでφ1を測定B0,Bを同定するためタグサイドの識別が大事（フレーバータギング）P=２GeVでもいけた B0 →π+ π- （φ２）では高運動量粒子が飛来。BGとしてKπがあるので、粒子識別が大事 新型K/p識別装置 Aerogel RICH counter 奥行き28cm 半径1m Endcap部の大きさ　 (Ring Imaging CHerenkov) 2018/11/14 フレーバー物理研究会　名古屋大学　山岡美緒

3 Aerogel RICH counterと光検出器
20cm Aerogel RICHの粒子識別原理 輻射体AerogelでCherencov光発生 光検出器でCherencovリングを捉える 放出角qcよりK/π粒子識別を行う Beam testの結果 検出光子数～8.5 角度分解能～4.4mrad (運動量3GeV/c, Aerogelの厚さ 30mm、 　　　マルチピクセルPMT使用） qcπ – qcK～23mrad (屈折率=1.05,P=4Gev) 1通過粒子あたり 光検出器への要求 １光子検出能力（高いＧａｉｎ） 高い光子検出効率15%以上 位置分解能～□5mm/チャンネル 1.5T磁場中で使用可能 23mrad=1.3°Cos0=1/nβ 角度分解能＝σ/√N 　；σ＝√（発生点のふらつき２＋ピクセルのふらつき２） 近年開発された新しい半導体光検出器 ＭＰＰＣ (Multi-Pixel Photon Counter) 2018/11/14 フレーバー物理研究会　名古屋大学　山岡美緒 3

4 ＭＰＰＣの動作原理と特徴 薄膜に高電界なので磁場に影響されず、時間応答性がよい 長波長まで高い光子検出効率(PDE)
ＭＰＰＣ受光面 典型的サイズ～1mm 数mm 特徴 動作原理 薄膜に高電界なので磁場に影響されず、時間応答性がよい 長波長まで高い光子検出効率(PDE) 感度領域（300nm～900nm） 最高感度（37％＠440nm） 各ピクセル・・・なだれ増幅型フォトダイオード(APD） Geiger mode・・・なだれ増幅範囲を超えたバイアス電圧(Vbias>Vbreak)印加　 　入射光子のエネルギーによらずガイガー放電を起こす 全ピクセルで１出力・・・放電したピクセル数の和=検出光子 2018/11/14 フレーバー物理研究会　名古屋大学　山岡美緒 4

5 MPPCを用いたRICH用光検出器 の開発現状
1mm角MPPCの性能測定 １光子検出能力、高いPDEを持つ 5mm角に有効受光面を拡大 ライトガイドの使用を考案 ライトガイドの最適形状決定 素子には2mm角以上が必要 1mm角MPPCのPDEを用いて シミュレーションを行った結果 RICHでの検出光子数が増え 識別能力向上 □5mm MPPC □２mm 拡大 2018/11/14 フレーバー物理研究会　名古屋大学　山岡美緒

6 目的 5mm角有効受光面の光デバイスの製作 －１、受光面が拡大された3mm角MPPCの性能評価 １光子検出能力、ＰＤＥ、など
現在の課題 5mm角有効受光面の光デバイスの製作 －１、受光面が拡大された3mm角MPPCの性能評価 　 １光子検出能力、ＰＤＥ、など RICHの要求する条件をみたすか？ 　 －２、ライトガイドの製作と性能評価 5mm角領域の集光能力、その収集効率 2018/11/14 フレーバー物理研究会　名古屋大学　山岡美緒

7 3mm角MPPC 測定項目 3mm角MPPC と1mm角MPPCの内部構造は同じ ゲイン 時間分解能 PDE 高い光子検出効率があるか
名前 H3mm-50um H3mm-100u 受光面 3mm×3mm 製造時期 2007.3 ピクセル数 3600 ９00 有感面積比(%) 61.5% 78.5% 製造会社 浜松ホトニクス社 浜松ホトニクス 3mm 3mm角MPPC と1mm角MPPCの内部構造は同じ 測定項目 ゲイン １光子検出能力 時間分解能 PDE 高い光子検出効率があるか １０ｎｓ ２０ｍＶ 1P.E 2P.E 3P.E H3mm-50um -15℃ over voltage 1.5V 2018/11/14 フレーバー物理研究会　名古屋大学　山岡美緒

8 Vbreak =geiger放電が起こり始める電圧
ゲイン、時間分解能測定セットアップ レーザーで1光子照射 ADCで積分電荷量を測定 TDCで検出時間を測定 電圧はVoverオーバーボルテージで表示 Vover=V-Vbreak Vbreak =geiger放電が起こり始める電圧 Vsource MPPC レーザー ＮＤフィルター　　　 clock fanout AMP discri div TDC ADC 恒温槽　 Atte ×133 Pulse laser ・・・ λ=400nm　 TDC ・・・ resolution 25ps ADC ・・・ resolution 0.25pc 恒温槽を用いて温度を一定に 2018/11/14 フレーバー物理研究会　名古屋大学　山岡美緒

9 ゲイン,時間分解能測定 １光子が十分検出可能 ゲイン > 1.6 ×106 1光子S/N=⊿mean/s ＞３
ゲイン測定（ADC分布） 時間分解能測定 （TDC分布） Pedestal 1/7倍 1P.E H3mm-100um T=２０℃ Vover=0.8V ゲイン　 > 1.6 ×106 1光子S/N=⊿mean/s　＞３ １光子の時間分解能　常温で３８０ps 　　 １光子が十分検出可能 2018/11/14 フレーバー物理研究会　名古屋大学　山岡美緒

10 PDEの波長依存性測定 波長依存性はほぼ同じ A 単一波長光を照射 20nm毎に260nm～900nmを測定
暗箱 A 可動ステージ 分光器 pin hole f200mm Ref. PD ＭＰＰＣ filter 単一波長光を照射 20nm毎に260nm～900nmを測定 波長感度既知のフォトダイオード(Ref. PD)をリファレンス ＰＤとMPPCの電流値の比から光子検出効率絶対値を求める 波長依存性はほぼ同じ ●　450nm付近にピークを持つ ●　長波長側にまで感度が高い 2018/11/14 フレーバー物理研究会　名古屋大学　山岡美緒

11 PDE絶対値測定 3mm角MPPCは1mm角MPPCと 同等のPDEを持っている Set up 測定Sample stage MPPC
Read out 測定Sample 3mm角MPPC 1mm角MPPC 同光量照射しエントリー数比較 Vover=1.0V レーザー　：　400nm Pin hole　　　 laser stage MPPC ＮＤフィルター　　　 恒温槽　　 エントリー数 →レーザーの光ったタイミングで検出されたイベントの数 同じVoverならばPDEがほぼ同じ 波長依存性も似ている 3mm角MPPCは1mm角MPPCと 同等のPDEを持っている 照射時の エントリー数 無光時の 3mm角MPPC ２３５０ １６５ 1mm角MPPC ２３８６ 23 2018/11/14 フレーバー物理研究会　名古屋大学　山岡美緒

12 2,ライトガイドを接続した性能評価 3mm角MPPCで5mm角領域の光 を集光する事に成功！ 全面の収集効率は８０％である。
laser ＮＤ filter　　　 恒温槽 Pin hole　　　 Stage ライトガイド Read out 5mm角領域の集光能力 収集効率（CE）測定 ピンホールから絞った光でLG上をスキャン ライトガイドが有る時と無い時で同光量を照射 エントリー数を比較 　　 ライドガイド全面の 収集効率の平均 3mm角MPPCで5mm角領域の光 を集光する事に成功！ 全面の収集効率は８０％である。 2018/11/14 フレーバー物理研究会　名古屋大学　山岡美緒

13 RICHでの検出光子数の見積もり 実物のライトガイドの収集効率 従来のシミュレーションに加える補正
光子のイベント数 ☞ライトガイド＋MPPC：15.9個 ☞マルチピクセルPMT：8.5個　　（ビームテストに用いたＰＭＴ） 従来より正確なRICHでの検出光子数を求める事ができた！ 検出光子数：MPPCを用いればPMTの約2倍 RICHの識別能力の向上が見込まれる 2018/11/14 フレーバー物理研究会　名古屋大学　山岡美緒

14 光検出器ユニットは十分な性能を持っている
まとめ MPPCを用いたAerogel RICH counter用光検出器実現のため有効受光面を拡大する 受光面3mm角MPPCの性能測定 １光子検出可能なゲイン（ 1.6×106 ）を持つ 1mm角とほぼ同等の高いPDEを持っている ライトガイドの製作とMPPCと接続した場合の性能評価 5mm角領域の光を集光し読み出すことに成功！ ライトガイドの収集効率は約80%である 検出光子数マルチピクセルPMTの２倍 　5mm角の有効受光面をもつMPPC製作　 光検出器ユニットは十分な性能を持っている 2018/11/14 フレーバー物理研究会　名古屋大学　山岡美緒

15 Back up 2018/11/14 フレーバー物理研究会　名古屋大学　山岡美緒

16 Belle検出器 Solenoid 超伝導ソレノイド 電子の進行方向と同じ向き 重心エネルギー 10.58GeV SVD CDC
飛跡検出 位置分解能７０μm CDC 飛跡検出＆運動量測定＆損失エネルギーより粒子識別 ACC＆TOF 粒子識別 ECL γとeの検出 CsI KLM μとKLを検出 鉄とRPCのサンド Solenoid　超伝導ソレノイド　　　　電子の進行方向と同じ向き 重心エネルギー　10.58GeV 2018/11/14 フレーバー物理研究会　名古屋大学　山岡美緒

17 熱電子ノイズ 熱電子ノイズはランダムに発生 RICHでのリング再構成の際に邪魔 常温でのダークノイズは1.5MHz以上
□5mm/チャンネルの光検出器 160mm×160mmでのヒットイメージ Cherenkov光による信号 熱電子ノイズ 4MHz タイムウィンドウ 2nsとする 熱電子ノイズはランダムに発生 RICHでのリング再構成の際に邪魔 常温でのダークノイズは1.5MHz以上 2nsのタイムウィンドウ RICHでの粒子検出能力の悪化を 約9%にとどめる事ができる T=5℃:粒子検出能力の悪化約5% 時間分解能が400ps以下 更に 2018/11/14 フレーバー物理研究会　名古屋大学　山岡美緒

18 ブレイクダウン電圧の求め方 ゲインのバイアス依存性を測定 直線が横軸交わる点の値をブレイクダウン電圧とした 傾きは容量に相当する
縦軸は電荷に相当する 直線が横軸交わる点の値をブレイクダウン電圧とした 2018/11/14 フレーバー物理研究会　名古屋大学　山岡美緒

19 ＱＥ波長依存性について シリコン内の光吸収長 a = f (l) 400 600 900 0.16 3.65 45.5
あるＭＰＰＣでの電界強度分布 （実際の測定サンプルとは異なる） reference: ICFA Instrum.Bull.23:28-41,2001 l (nm) 400 600 900 a(mm) 0.16 3.65 45.5 (mm) 短波長限界：MPPC表面で反射、吸収 長波長限界：MPPC内部で吸収されず 　　　　通過してしまう 2018/11/14 フレーバー物理研究会　名古屋大学　山岡美緒

20 読み出し回路 と laser Picosecond Injection Laser(640nm)
Schwarzachildstr （Germany） パルス幅・・・～35ps jitter ・・・ 3～4ps Stabilized Picosecond Light Pulser C4725 (410nm) 浜松ホトニクス社 パルス幅・・・<50ps jitter ・・・ <10ps 2018/11/14 フレーバー物理研究会　名古屋大学　山岡美緒

21 Aerogel RICH counterの能力
チェレンコフ放出角qcの決定精度 角度分解能 悪 検出光子数 大 Aerogel 薄 Photon detector Aerogel 厚 角度分解能 良 Photon detector 検出光子数 少 粒子識別能力 : 1光子当りの角度分解能 : σθ 検出光子数 : Npe pとKのチェレンコフ放出角の差 チェレンコフ光発生点のふらつき : σemit ピクセルの分解能：σpixel (屈折率 : 1.05、P = 4GeV/c) 2018/11/14 フレーバー物理研究会　名古屋大学　山岡美緒

22 ピンホールからの光の広がり Φ50μmの受光面が動く Filter…３０％ MPPC HPK400-09 1mm2
各点でのエントリー数を測定 MPPC φ50μm Φ50,200μm NDfilter laser Moving stage X σ＝２７μｍ　　　　　　Ｙ σ＝３４μｍ 2018/11/14 フレーバー物理研究会　名古屋大学　山岡美緒

23 シミュレーション条件 ビーム： P=3.0GeV/c、π中間子 Aerogel： 屈折率1.047、厚さ30mm、 500event 2018/11/14 フレーバー物理研究会　名古屋大学　山岡美緒

24 ライトガイドの形状最適化シミュレーション
長さを変えながら各受光面サイズで集光効率をシミュレーションする 角錐台ライトガイド シミュレーションの設定 入射角0.3rad 入射光の波長400nm 内部吸収なし 材質：アクリル 屈折率：1.47 □1mmでの集光効率　最大～40%→ □1mmでは難しい □2mm以上では表面反射以外ロスのない形状が可能 2018/11/14 フレーバー物理研究会　名古屋大学　山岡美緒

25 ライトガイドデザイン入射角度による集光効率の変化
endcap部への飛来粒子角度・・ビーム軸から0.3～0.6rad（17～34°） Cherenkov角・・・0.3rad程度（P=4GeV/c） 　　　　　　　　　　　⇒入射光子角度はトータルで0.0～0.6rad(0～34°) 角錐台ライトガイドの集光効率 0.3radの入射角で最適化した形状では0.4radで集光効率が70%にまで落ちる 0.3rad以上の入射角でも集光効率がよい長さにする必要有り？ しかしMPPCは磁場方向に影響されないため、各位置でビーム衝突点方向を向けて並べられる 　　→入射角～0.3radを考えておけばよい 2018/11/14 フレーバー物理研究会　名古屋大学　山岡美緒