TOPカウンター用 MCP-PMTの研究開発(2)

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1 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

2 GaAsP SL10の性能評価

3 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 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！

4 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 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)

5 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

6 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

7 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

8 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。

9 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？

10 Multi-Alkali MCP-PMTのLifetime 測定

11 Motivation x 20!! TOP counter用光検出器 MCP-PMT Luminosity
L ～1 x B L ～2 x 高頻度Back ground粒子(spent electron) PMTの出力電荷量～700 mC/cm2/yearと想定 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

12 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 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%

13 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. 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%

14 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.< 　Al膜は必要である。 w/ Al (BINP) Rel. QE = 　BINP製はAl膜ありでも不十分 w/ Al (HPK) Rel. ●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

15 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。

16 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

17 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 <0.5 0.9 <0.3 <0.1 Rel. Gain <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！