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ハイパーカミオカンデのための大口径ハイブリッド光検出器の開発
須田祐介
1
修論審査会@431 2014.01.30
目指す物理• レプトンCP非保存位相δの測定,ν質量階層性問題• 大気・加速器ν観測(GeVオーダー)• 大統一理論の検証• 陽子崩壊探索(未発見)• ニュートリノ天体物理学• 太陽・超新星爆発ν観測(MeVオーダー)
2
p � e+�0 p � �̄K+
ハイパーカミオカンデ
巨大な水チェレンコフ検出器が必要↓
3
• スーパーカミオカンデの25倍の有効体積をもつ次世代メガトン級水チェレンコフ検出器• 候補地:岐阜県神岡鉱山(地質調査中)• 内水槽:99,000本の20-inch径光センサ• Photo coverage 20%(Super-K 40%)• 外水槽:25,000本の8-inch径光センサ
内水槽
外水槽(Veto)
ハイパーカミオカンデ計画
大量の光センサが必要低エネルギー事象に厳しい仕様
Hyper-Kに適した新型の光センサ開発が鍵
(Hyper-K)
4
光センサへの要求仕様値 理由
高時間分解能 < 2.2ns (1p.e.TTS) 精度よいvertex再構成のため高1光電子識別能力 < 60% (1p.e. resolution) 低エネルギー事象観測のため
大光感応面積 20-inch for ID8-inch for OD 良いエネルギー分解能のため
高量子効率(QE) 30% at max. 可能な限り光を捉えるため
低ダークレート < 4 kHz 低エネルギー事象やDAQから制限
広いダイナミックレンジ ~1,000 p.e. 高エネルギー事象観測のため
高レート耐性 ~ 1 MHz 超新星爆発によるνバーストに備えて
シンプルな構造 - 高い組立精度・生産性,低コスト実現のため
• Venetian Blind dynode type PMT(R3600)• Super-Kで使われている,実績有り• Box&Line dynode type PMT• R3600よりも時間分解能を向上された新型センサ• 大口径Hybrid Photo-Detector (HPD)• ダイノードの代わりにAvalanche diode(AD)を使った新型センサ
5
光センサ候補
20-inch Venetian Blind PMT Box&line PMT HPDHV 2kV 2kV 8kVGain 10^7 10^7 10^4-5
TTS(FWHM) ~5.5ns ~2.7ns ~0.75nsCE 80% 93% 95%
6
High-QE option
Wave Length [nm]300 350 400 450 500 550 600 650 700
QE
[%]
0
5
10
15
20
25
30
35
40ZP0007
ZP0012
ZP0014
ZP0015
ZP0021
ZP0022
ZP0024
ZP0025
Normal SK PMT
High-QE R3600
Normal-QE R3600
×1.5
• Hyper-K用の光センサに対し,光電面の高量子効率化(~30%)をめざす
• Super-K PMT(R3600) ~20%• 実績のあるセンサR3600の光電面をHigh-QE化したものを開発
• 要評価
7
R&D schedule
2012 2013 2014 2015 2016
20-inch HPD
8-inch HPD
20-inch B&L PMT
High-QE R3600
Prototype productionPreparation
Performance evaluation
Test in the water Cherenkov detector
Sele
ctio
n of
Hyp
er-K
Pho
tose
nsor
We are here
• 開発したセンサの性能を評価(大気中)• 水チェレンコフ検出器用光センサとしての長期間における性能評価のため,実際の200トン水チェレンコフ検出器を用いて実証試験を行う
• 2016年までにHyper-K用光センサを決定
Avalanche Diode
8
5mmφ
Hybrid Photo-Detector(HPD)
8-inch HPD
20cmΦ
AD
(AD)
PMTのダイノード部をAvalanche Diodeにおきかえた
新型の大口径光センサ
9
Total&gain&~4x104&&&×&������
�� �����
������
�� ����
Metal dynode�
~1kV ~8kV
Avalanche Diode (AD) = APD without photocathode�
x ~ 5 � × ~400
~260V
× ~100 �������
ΔV ~ -260V
�������
Amp�
PMT HPD
<-300V
-300V
1-2kV
AD内で電子・正孔対を生成
• ダイノードに比べ,ADはシンプルな構造→安価に大量生産可• 短い経路長→高時間分解能• 高い打ち込みゲイン→優れた1光電子検出能力
光電子を高電圧で加速しADに打ち込み,AD内で雪崩増幅
~15
HPDは大量生産に適し性能の向上が期待できる→20-inch high-QE HPDの開発をめざす
~1600 30~100~105
HPDの原理
信号×3
55V/mA
10
高電圧を生成
HPD内で高電圧を生成,水中でも安全に使用可
コントロール電源~3Vの低電圧でHVとAD Biasをコントロール+HVモジュールとアンプの駆動電圧10V
10CH
コントロール
信号
HPD回路と制御装置
性能評価
11
波形,ダークレート時間分解能,1光電子分解能,リニアリティ,
( ゲイン,レート耐性,スタビリティ,ユニフォミティ)
12
Output signal
1p.e.2p.e.3p.e.4p.e.
20ns5mV
アンプ無しの出力波形の立ち上がりは~1.7ns
Rise time: 10ns
1光電子ずつはっきりと区別できる
13Threshold [mV]
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5
Dar
k R
ate[
kHz]
-110
1
10
210
310
410
Dark Rate
1p.e.0.5p.e.
ControlPower Supply
Light shielding box
8-inch HPD
PC
ATM 1 ATM 2Signal IN
PMTSUM
Signal IN
Threshold scan0~12.5mVAttenuate 1/10
Dark rate遮光状態でダークレートをtheshold scan
HPD:[email protected]., 25℃
ATMはSKで使われていたDAQ board
Attenuate, threshold scanができる
SK PMT:4kHz @0.25p.e., 13℃充分低い要求クリア
14
SK PMT: TTS ~2.2ns
TTS: 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
1p.e. TTSσ=1.2ns
-4 -2 0 2 4 ns
ベースラインから波高の25%に到達するまでの時間を測定
オシロスコープで波形を取得して解析
25%
Transit Time
光源トリガー
時間分解能Transit time spread (TTS)で評価
高い時間分解能をもつ要求クリア
15
1p.e.分解能=
優れた1光電子識別能力をもつ,要求クリア
1光電子識別能力
/ ndf 2r 119.8 / 49Prob 7.364e-08Factor 16.3± 1063 Peak 0.00829± 0.08822
0m 0.0062± 0.6188 Factor 5.9± 169.1 Peak 0.034± 8.003
1m 0.0300± 0.9923 p6 6.164e-31± 1.958e-30 p7 1.4± 0 p8 1.4± 0 1pe BS ratio 0.013± 0.202
Charge [pC]-5 0 5 10 15 200
200
400
600
800
1000 / ndf 2r 119.8 / 49
Prob 7.364e-08Factor 16.3± 1063 Peak 0.00829± 0.08822
0m 0.0062± 0.6188 Factor 5.9± 169.1 Peak 0.034± 8.003
1m 0.0300± 0.9923 p6 6.164e-31± 1.958e-30 p7 1.4± 0 p8 1.4± 0 1pe BS ratio 0.013± 0.202
/ ndf 2r 119.8 / 49Prob 7.364e-08Factor 16.3± 1063 Peak 0.00829± 0.08822
0m 0.0062± 0.6188 Factor 5.9± 169.1 Peak 0.034± 8.003
1m 0.0300± 0.9923 p6 6.164e-31± 1.958e-30 p7 1.4± 0 p8 1.4± 0 1pe BS ratio 0.013± 0.202 ADC count : 31.6581
0.951651±P/V : 5.23989
2.13099e+08±Gain : 5.00172e+07
Pulse height distribution
ADC(積分幅200ns)で測定
Charge
S/N= P/V=
8-inch HPD R3600
1p.e.分解能 12% 60%
S/N 12 2.2
P/V 5.6 1.9
Pedestal
1p.e.
16
Number of Photo Electron10 20 30 40 50 60 70 80
ADC
ch
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600 / ndf 2r 7.329 / 4
Prob 0.1195p0 3.934± 112.4 p1 0.151± 20.86
/ ndf 2r 7.329 / 4Prob 0.1195p0 3.934± 112.4 p1 0.151± 20.86
Linearity
Linearity
出力は60p.e.まで線形アンプの最大出力電圧~1Vにより制限がかかる(15mV/p.e.)
HPDと一緒にAPDを光源モニターとして使用
横軸はAPDのADC値を光電子数に変換したもの縦軸はHPDのADC値
光量を変え,ADCで電荷測定(積分幅200ns)
ダイナミックレンジ1,000p.e.を達成するためにアンプの最大出力電圧をあげる必要あり
17
値 判定高時間分解能 1.2ns (< 2.2ns) クリア
高1光電子検出能力 12% < 60% (1p.e. resolution) クリア
大光感応面積 中央から±5cmまで10%で一様 要原因調査
高量子効率(QE) 30% at max. High-QE R3600評価中
低ダークレート 2kHz (< 4kHz) クリア
広いダイナミックレンジ 60p.e. (1,000p.e.) 要アンプ改良
高レート耐性 500kHz(1MHz) 要アンプ改良
シンプルな構造 - クリア
8-inch HPD性能まとめ
HPDの性能を最大限に活かすアンプの開発が必要
実証試験
18
7m
200 ton tank
19
実証試験
対象:8-inch HPD × 8 + High-QE R3600 × 5
20-inch HPD, Box & Line PMTも準備ができ次第,試験
期間:2013年9月から1~2年装置:200トンGd水タンク@神岡鉱山
水中での性能,ゲインやダークレートの安定性や運用の安全性などを調べる
水チェレンコフ検出器を用いてHPDのHyper-K用光センサとしての適性を判断する
目的:
R3600 × 227 と比較
• 3万回HV on/offの繰り返しでHPD,コントロール電源に故障しないことを確認
• 1ヶ月分のHPD運転において故障なしを確認
• 実証試験用HPDを各々10時間水中で動作させ,故障・リーク電流がないことを確認
• 実証試験用光センサの性能を事前に確認,ゲイン較正,ダークレート・P/V測定
• HPD,High-QE R3600のダークレートはR3600と同程度
• HPDのP/VはR3600よりも優れている
20
事前試験
Dark rate (kHz)0 10 20 30 40 50
Num
ber o
f pho
tose
nsor
s
1
10
PhotosensorNormal-QE R3600High-QE R36008-inch HPD
Peak to valley ratio0 1 2 3 4 5 6
Num
ber o
f pho
tose
nsor
s
1
10
PhotosensorNormal-QE R3600High-QE R36008-inch HPD
21
�� � ����� �� � �� ���
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��� �� ��� ��� ����� ��� ���
8-inch HPDHigh-QE R3600
インストレーション
Photodetector(installaLon(to(EGADS(�
Water&proof(cable(connecLon� Done(in(July/August�
Surface(cleaning�
AZaching(the(support(frame�
HPD/PMD(mounLng�
Cable(connecLon(in(the(tank�
AcLve(work(by(young(students�
��
8-inch HPD×8High-QE R3600×5R3600×227
約1ヶ月で取り付け
22
8-inch HPDR3600
取り付け完了
23
TKO power supply
TKO crate
HV power supply for PMTs
ATM board
Control power supply for HPDs
Electronics
Connectors Relay board
Voltage logger Temperature logger
DAQシステム光センサと電源・ATMボードを70mケーブルを介して接続ATMでヒットの時間・電荷分布を計測
HPD用コントロール電圧ロガー,温度ロガー,Enable用リレーシステム
完備
•タンクを純水で満たしてから数日後から,1つのHPD(No.74)の挙動がおかしくなる•徐々にHVがトリップするようになり,現在では全く動作しない• HVモジュールの故障の疑い•原因は不明,いずれにしても故障しないHVモジュールの開発は今後の課題
24
トラブル
25
-800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
0
100
200
300
400
500
600Normal-QE PMTHigh-QE PMT8-inch HPD
Charge (pC)
-800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
0
100
200
300
400
500
600Normal-QE PMTHigh-QE PMT8-inch HPD
Charge (pC)
宇宙線ミューオンイベントタンクを暗にした状態で,セルフトリガーでイベントを取得
HPD・High-QE PMTの水チェレンコフ検出器用光センサとしての試験は今回が初
200トン水チェレンコフ検出器として動作
26
ATM (Analog Timing Module)
� 12#channel#input#
� 2TAC+2QAC/channel,##1ADC/board#
� ADC#process#speed#:#5.5�sec/hit#� Dynamic#range#:#~450#pC#
� Read#the#data#via#TKO#bus#and#VME#
� HITSUM:#200ns###O15mV#
threshold#
ATM board
PC
Ultra pure water
Diffuser ball
200ton tank
Control Power Supply
Signal line 70m
LV line70m
Clock500Hz
Delay
Threshold < 1p.e.
LaserDiode
Gate charge_sigEntries 4400Mean 3.699RMS 4.102
/ ndf 2χ 138.5 / 61p0 3.4± 134.3 p1 0.0663± 0.8772 p2 0.044± 1.848 p3 2.65± 78.38 p4 0.103± 7.574 p5 0.096± 2.196
Charge (pC)-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 400
20
40
60
80
100
120
140
160charge_sig
Entries 4400Mean 3.699RMS 4.102
/ ndf 2χ 138.5 / 61p0 3.4± 134.3 p1 0.0663± 0.8772 p2 0.044± 1.848 p3 2.65± 78.38 p4 0.103± 7.574 p5 0.096± 2.196
hEntries 7Mean 7.668RMS 0.2113
Charge of single photoelectron (pC)6.6 6.8 7 7.2 7.4 7.6 7.8 8 8.2 8.4
Num
ber o
f pho
tose
nsor
s
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2 hEntries 7Mean 7.668RMS 0.2113
-4.7% +4.7%
1光電子測定レーザー光源を用いて,1光電子分布の測定及びゲイン較正
1p.e.分解能HPD:~30%PMT:40~50%
同環境・条件においてもHPDはPMTよりも優れた1光電子性能を持つ
27
Threshold (mV)0 10 20 30 40 50
Dar
k R
ate
(kH
z)
-210
-110
1
10
210
310 LegendCH0CH1CH2CH3CH4CH5CH6CH7
8mV~1p.e.
4kHz
Threshold (mV)0 10 20 30 40 50 60 70
Dar
k R
ate
(kH
z)
-110
1
10
210
310
High-QE R3600
CH0
CH1
CH2
CH3
CH4
Threshold (mV)0 10 20 30 40 50 60 70
Dar
k R
ate
(kH
z)
-110
1
10
210
310
Normal-QE R3600
CH0
CH1
CH2
CH3
CH4
CH5
Dark rate測定VME scalerを用いてthreshold scan
HPDのダークレートはPMTよりも充分低い
8-inch HPD High-QE R3600
R3600
28
Threshold (p.e.)0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
Dar
k R
ate
(kH
z)
-210
-110
1
10
210
310
EHD00832013/03/22, Bias=302V2013/10/12, Bias=330V2013/11/21, Bias=331V
HPD Dark rate比較タンク外(25℃)と内(13℃)で測定したものを比較
低い雰囲気温度,継続的な暗状態によってダークレートが減少した
• Hyper-Kに向け,20-inch high-QE HPDの開発を目標に8-inch HPD・High-QE PMTの試作機を開発した
• 8-inch HPDは高時間分解能(1.2ns),優れた1光電子識別能力(12%),低いダークレート(2kHz)をもつことがわかった
• 200トン水タンクを用い,光センサの水チェレンコフ検出器用センサとしての性能を評価する
• 光センサのタンクへのインストール完了,水チェレンコフ検出器として動作していることを確認した
• HPD・High-QE PMTの水チェレンコフ検出器用光センサとして初めて使用した
• 今後1~2年の長期連続運転を行い評価,2016年までのHyper-K用光センサを決定する
29
まとめ
30
20-inch HPD 20-inch Box&Line dynode type PMT
Hamamatsu Photonics K.K.
Coming soon!