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--------------

1. GaAsP SL10 の性能評価

2. Multi-Alkali MCP-PMT の Lifetime 測定

GaAsP SL10 の性能評価

TOP カウンターと PMT

• 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 カウンターとは？

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

群速度差が減少！

200 400 600 800 1000 1200Lambda (nm)

0.21

0.20

0.19

0.18

0.17

gro

up

vel

oci

ty(m

/ns)

0

10

20

30

40

50

Q E

0.013 m/ns

0.009 m/ns

GaAsP (peak:40%@540nm)

MultiAlkali

GaAsP Multi-Alkali

ΔV (m/ns)

0.009 0.013

検出光子数比

1.47 1.00

光電子数 =Σ( 発生光子数 ×QE)

発生光子数 ∝ λ-2

• 検出光子数の増加

光電子数増加！

• 波長分散による時間の揺らぎの緩和

長波長領域における QE 大

TOP の要求を満たし得る！

QE の絶対値が大きい

GaAsP SL10

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 HPK φ10μm 4ch. 22.5x22.5mm

GaAsP HPK6 HPK φ6μm 1ch. φ11mm

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

SL10

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

10μmMCP チャンネル径

量子効率

GaAsP光電面

測定内容と SET UP

SET UP

3 つの PMT について

測定内容

• 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 Gain TTSを、 single photon 照射で測定する。また、 Dark count の測定も行う。

Band width<1.5GHz

DISC

PLP PMT ATTN AMP DIV

TDC

ADC

FILTER

BLACK BOXDISC

λ=407nmJitter ～10ps

there 100mV

36dB

there 20mV

25ps/1bin

CAMAC

START

GATE

波形

　　

HPK6 ： 立ち上がり～400ps

0.2ns/div20mV/div

GaAsP HPK6

0.4ns

測定条件： single p.e.

0.5ns/div20mV/div0.5ns

GaAsP

SL10

SL10 ： 立ち上がり～500ps

Multi-Alkali SL10

0.5ns/div5mV/div

Gain と Dark countADC 分布

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。

GaAsP HPK6

Gain ～1.3×106

single photon peak

pedestal

200

400

600

0

800

100 150 200 250adc 1bin/0.25pc

cou

nt

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

100 125 150 175

200

400

600

0

adc 1bin/0.25pc

GaAsP SL10

cou

nt pedestal

single photon peak

Gain ～0.96×106

100 120 140

cou

nt

200

400

600

800

1000Multi-Alkali SL10

pedestal

single photon peak

0.50×106

Gain ～

adc 1bin/0.25pc

0

TTS

TDC 分布

• 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！

4000

6000

0-10-20 10 20

GaAsP HPK6

TTS ～ 32ps

tdc

cou

nt

0

1bin/25ps

20001000

-20 -10 0 10 20tdc 1bin/25ps

Multi-Alkali SL10

2000

3000

0

cou

nt

TTS ～ 33ps

-20 -10tdc0

1bin/25ps10 20

2000

4000cou

nt

GaAsP SL10

TTS ～ 42ps

1000

3000

0

光電面に原因？

Multi-Alkali MCP-PMT のLifetime 測定

Motivation 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 )

MCP-PMT(SL10)

x 20!!

Present B-factory Super B-factoryLuminosity (/cm2/sec) ～ 1 x 1034 ～ 2 x 1035

BKG particle (through the one TOP counter) rate (Hz)

44K

(from simulation)880K

Detected Photon (/ particle) ～ 7PMT effective area (cm2) 90 (20PMTs)Detected photon (/cm2/sec) 68KOutput Charge (mC/cm2/year) ～ 700

MCP-PMT の特性・仕様

Maker HPK BINP

有効面 11mm 18mm

光電面 Multialkali

QE @400nm 21% 19% 16-20%C.E. 37% 65% 40-60% 55-60%

Al-layer Yes No Yes No

Gain 1.9x106 1.5x106 3-4x106

TTS 34ps 29ps 30-40psDark count 0.38K 1.5K 10-300K

HV 3.4kV 3.4kV 3.6kV 2.9kV

HPK(R3809U-50-11X) BINP

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)

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 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

「 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

(@=400nm)

Gain

@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。

●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－ 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

TTS

BINP w/o Al (#6)

HPK w/o Al

BINP w/ Al(#32)

HPK w/ Al

●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)

30ps

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)

－ before－ after

=31ps=36ps

=36ps=39ps

=34ps=34ps

=29ps=33ps

M.A. MCP-PMT は、 SuperB での一年以上の使用に耐えうる！

1. GaAsP SL10 の性能評価

2. Multi-Alkali 光電面 MCP-PMT の Lifetime 測定

本日のまとめ

　 GaAsP SL10 Multi-Alkali SL10 GaAsP HPK6

立ち上がり (ps) 500 500 400

Gain 0.96×106 0.50×106 1.3×106

TTS (ps) 42 33 32

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。

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 <1 <0.5

TTS (ps) (after) <40 33 <40 34

Al 膜が必要

Al 膜ありでも不十分

HV up により回復！

M.A. MCP-PMT は SuperB での１年以上の使用に耐えうる！