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：2kHz@0.5p.e., 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!