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ハイブリッド型光検出器の詳細評価と
水タンク内における性能評価
須田祐介
西村康宏A, 廣田誠子B, 岡島裕治C, 横山将志, 相原博昭, 中畑雅行A,
塩澤真人A, 早戸良成A, 中山祥英A, 田中秀和A, 中家剛B, 久世正弘C,
武多昭道D, 河合克彦E, 大村孝幸E, 鈴木正俊E
東大理, 東大宇宙線研A, 京大理B, 東工大理C, 東大地震研D, 浜松ホトニクスE
2014年3月28日 東海大学
日本物理学会 第６９回年次大会
1
開発の目的と流れ
Hyper-Kamiokandeで実用可能な20 高QE光センサの開発
(高QE=30%, Super-K PMT(20 )の1.4倍)
候補：HPD, Box&line(B&L) PMT, Super-K(SK) PMT
現在
性能評価
試作機製作
HPD
水チェレンコフ検出器を用いた
実証試験
20’’ 高QE
box&line PMT
高QE Super-K
PMT
8’’ HPD
2012
2013
（20 =508mm, 8 =203mm）
2014
2
2015
Hyper-K用光センサ決定
20’’ 高QE
2016
実証試験―Setup・ゲイン較正―
Laser diode
(λ=405nm) 200ton tank
ATM board
Control power
supply for HPDs
新型光センサの長期安定性や運
用の安全性から，各種センサの
Hyper-K用センサとしての実用
性を評価する
HV power supply
Cable
(70m)
Number of photodetectors
Electronics
2
Diffuser ball
200トン水タンク＠神岡鉱山
Ultra pure
2013年夏 8 HPD，高QE SK PMTと
SK PMTをタンクへ実装
2014年２月 長期連続運転に移行
22
8 HPD 8
高QE SK PMT 5
SK PMT 227
20
Mean 7.669
18
RMS 0.2114
16
14
Within&±4.7%
12
1
10
8
6
4
2
0
7
7.2
7.4
7.6
7.8
8
8.2
0
8.4
p.e. mean(pC)
(pC)
1PE1 charge
1.5
1.5
2
2
2.5
2.5
3
3
1PE charge (pC)
タンク内において全センサのゲイン較正を行った
3
3.5
3.5
Numb
140
120
実証試験―性能―
100
80
60
40
20
0
0
10
20
40
50
60
70
80
90
Charge [pC]
Laser diodeを用いて，時間性能・１光電子分布を測定
HPD 216
103 Ch7 (EHD0095)
Timing resolution
30
2
10
Δt#in#8”#HPD
8
HPD
102
w/ 1PE cut
左右異なるσをもつ
非対称GaussianでFit
10
10
σ
1
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Charge [pC]
Number of events
HQE 229 1Ch4 (ZP0007)
-60
-40
-20
0
20
Δt#in#HQE#PMT
高QE
SK PMT
40
60
Time [ns]
Number of photosensors
Number of events
Number of events
HQE 229 Ch4 (ZP0007)
8 HPD
Normal'QE'PMT'
高QE
SK PMT
High'QE'PMT'
SK PMT
8”'HPD
10
Note: 高QE SK
PMTは通常のSK
PMTよりも第１
ダイノードまでの
電圧を低めに設定
w/ 1PE cut
2
10
1
10
2
2.5
3
3.5
1
-60
-40
-20
0
-20
0
40
20
25000
8 HPD
高QE SK PMT
Pedestal
20000
1PE
15000
1PE
1PE resolution:
~30%%σ
2000
1PE resolution:
10000
1000
0
~40(50%%σ
5000
-5
0
5
[ns]
(σ右＋σ左)/2 (ns)
60
Time [ns]
4000
3000
4.5
Time (ns)
Pedestal
5000
1PE charge
distribution
20
4
Peak in
10
15
0
20
25
Charge [pC]
-2
0
2
4
6
8
10
12 14 16
Charge [pC]
タンク内においてもHPDは時間性能・１光電子分解能ともに優れていることがわかる
4
20 光センサ開発
New!
HPD
Box&line PMT
・HV= 8kV
・短い経路長
・高い打ち込みゲイン
・プリアンプが必要
Avalanche
diode (AD) ・低価格の可能性あり
e-
HPK
e-
・HV=1 2kV
・ほぼ定まった
軌道をもつ
Box
・高い収集効率
Line
Venetian blind
dynode
e-
HPK
Box&line dynode
HPK
Super-K PMT
・HV=1 2kV
・複数の軌道の可能性
・初段で増幅されない
ことがある
・Super-Kでの17年
におよぶ高い実績
20 高QE HPD（5mmΦ AD）と20 高QE box&line PMTの
試作初号機を製造し，基本性能を初めて測定した
Note: 今回のHPD試作機は収集効率が低い，実際には20mmΦ ADを使用予定
HPDのプリアンプ，B&L PMTのダイノード・ブリーダー回路も開発途中
5
20 センサ―波形―
数十光電子程度の光量を入射，波形サンプルを平均化した波形
Normalized pulse height
0.3
0.2
0.1
0
-0.1
-0.2
-0.3
-0.4
-0.5
-0.6
-0.7
-0.8
-0.9
-1
-1.1
Pulse width
10%
90%
20-inch high-QE HPD(5mm dia. AD) w/ preamp.
Rise time
Fall time
20-inch high-QE box&line PMT
Super-K PMT
-40 -20
HPD*
7.4
11.5
25.5
0
20
40
60
B&L PMT SK PMT
6.2
10.6
6.3
13.1
16.7
31.4
Rise time (ns)
Fall time (ns)
Pulse width
*...5mmΦ AD, w/ preamp.
(ns)
6
80 100 120 140
Time (ns)
応答特性はB&L PMTが良い
HPDはプリアンプにより応答が遅く
なっている（本来はRise time 1.9ns）
20 センサ―ゲイン―
6 HPD
×
10
45
40
35
30
(5mmΦ AD) w/ preamp.
Gain
Gain
Bias電圧を変えていき，出力電荷をADCで測定
χ2 / ndf
24.77 / 7
Prob
0.000832
p0
-2.694e+07 ± 7.131e+06
a
p1
400.4 ± 9.029
b
c
p2
-1.716 ± 0.233
PMT
×106
60
20-inch high-QE B&L PMT
Super-K PMT
50
χ2 / ndf
28.22 / 7
Prob
40
0.0002004
p0
3.039e-13 ± 2.443e-14
p1
5.96 ± 0.01029
25
30
20
15
20
10
10
5
0
200
220
240
0
1200
260
280
300
AD bias voltage (V)
1400
1600
1800
2000
2200
2400
HV (V)
Fit関数: Gain=αVβ
Fit関数: Gain=a/(1-(V/b)c)
20 高QE HPD，20 高QE box&line PMTともに
正しく動作していることを確認
7
20 センサ―１光電子分解能―
出力電荷をADCで測定
HPD (5mmΦ AD) w/ preamp.
400
PMT
1.4
Pedestal
350
Super-K PMT
Peak
300
250
1.2
BLPMT
1
1PE
1PE
0.8
200
σ
150
-2
0
2
4
1PE resolution σ/μ
Peak/Valley
μ 6
0
8
10
Charge (pC)
χ 2 / ndf
Prob
0.06208 / 43
1
0.9511± 0.2305
2.219 ± 0.216
0.7856 ± 0.2382
VB PMT
0.2
Valley
500000
0.143
0.7891
Entries
Mean
RMS
χ2 / ndf
Prob
Constant
Mean
Sigma
0.4
50
Entries
Mean
RMS
Constant
Mean
Sigma
0.6
100
0
20-inch high-QE box&line PMT
Pedestal
-4
20 HPD* B&L PMT
16%
35%
3.9
4.3
-2
0
2
SK PMT
53%
2.2
4
6
500000
0.02509
0.621
0.1397 / 57
1
0.946 ± 0.198
2.222 ± 0.293
1.18 ± 0.38
8
10
Charge (pC)
8 HPD
12%
5.2
*...5mmΦ AD, w/ preamp.
１光電子分解能はHPDの方がPMTよりも良い
Box&line PMTはSuper-K PMTより優れた１光電子検出能力を持つ
8
20 センサ―時間分解能―
TDCでTransit time（ 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）を測定
1
20-inch HPD
Gaussianと
exponentialの
合成関数でFit
HPD
Entries
Mean
RMS
χ2 / ndf
Prob
p0
p1
p2
(5mmΦ AD)
0.8
w/ preamp.
1
50000
0.5428
3.318
0.1915 / 31
1
-1.156 ± 1.392
1.348 ± 0.847
0.9809 ± 1.7435
Transit Time
PMT
20-inch high-QE B&L PMT
0.8
BLPMT
Entries
Mean
RMS
χ2 / ndf
Prob
p0
p1
p2
0.6
σ
FWHM
0.4
0.4
0.2
0.2
-10
-5
0
5
10
Timing resolution σ (ns)
FWHM (ns)
FWHM計算値 (ns)
15
0
20
25
Time (ns)
20 HPD
1.4*
3.4*
0.75**
0.5PE
Super-K PMT
0.6
0
-15
光源トリガー
100000
205.6
3.538
0.26 / 96
1
-1.409 ± 0.595
1.077 ± 0.448
0.4097 ± 0.1318
VBPMT
Entries
Mean
RMS
χ2 / ndf
Prob
p0
p1
p2
-20
-15
B&L PMT
1.1
4.1
2.7
-10
-5
0
SK PMT
2.1
7.3
5.5
5
10
15
100000
203.5
4.676
0.7586 / 139
1
-2.024 ± 0.915
2.059 ± 0.665
0.2544 ± 0.0771
20 25
Time (ns)
8 HPD
1.1
3.3
0.62***
*...5mmΦ AD w/ preamp, **...20mmΦ AD w/o preamp., ***...5mmΦ AD w/o preamp.
HPD，B&L PMTともに時間分解能はSuper-K PMTより優れている
9
まとめと今後
•
•
Hyper-Kにむけて20 高QE光センサを開発中
8 HPD, 高QE Super-K PMTを200トン水チェレンコフ検出器内
で実証試験中
•
•
8 HPDはPMTよりも良い時間分解能・１光電子分解能をもつ
20 高QE HPD (5mmφ AD)・20 高QE box&line PMTの試作初
号機を開発，基本性能を初めて評価した
•
Super-K PMTよりもHPD，Box&line PMTの方が優れている
Rise time (ns)
1PE resolution σ
Timing resolution σ (ns)
20 HPD*
7.4
16%
1.4
B&L PMT
6.2
35%
1.1
SK PMT
10.6
53%
2.1
*...5mmΦ AD w/ preamp
•
20 HPDの設計・プリアンプ開発，各センサの詳細な測定を行い，
実証試験の結果と合わせて2016年までにHK用光センサを決定
10