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新型50cm径光検出器の
開発と試験
須田祐介
50cm HPD
西村康宏A，岡島裕治B，江淼C，廣田誠子C，横山将志，相原博昭，塩澤真人A，
早戸良成A，中山祥英A，田中秀和A，久世正弘B，中家剛C，武多昭道D，
河合克彦E，大村孝幸E，鈴木正俊E，田中真伸F, G，濱田英太郎F, G
東大理，東大宇宙線研A，東工大理B，京大理C，東大地震研D，
浜松ホトニクスE，KEK素核研F，Open-ItG
日本物理学会 2014年秋季大会 佐賀大学 18pSG-6
Hyper-Kamiokande
41.4m
メガトン級
39.3m
候補地
：岐阜県神岡鉱山(地質調査中)
体積(fiducial)：0.99(0.56) メガトン
Super-Kamiokandeの
２５倍の有効体積
• Super-Kamiokande(1996-)の後継機としての
次世代大型水チェレンコフ検出器
• Nucleon decay, Leptonic CPV, Solarν...
2
HK 光検出器への要求
•
•
幅広いエネルギー領域(数MeV 100GeV)，
精密な事象再構成，長期間運転(>15年)...
大量の光検出器
内水槽：50cm径 99,000本
外水槽：20cm径 25,000本
内水槽
50cm径光検出器
外水槽 20cm径光検出器
• 高性能
• 幅広いダイナミックレンジ(1-1000光電子)，
優れた電荷・時間分解能(数ns for 1光電子)，ゲイン安定性...
• 高量子効率の光電面
• QEを向上し(Super-K PMT: 22%→30%)，本数を減らす
•できるだけ低コスト
3
HK 光検出器の候補
Box&Line PMT
Hybrid Photo-Detector
50cm φ
Super-K PMT
•
•
Kamiokande, Super-K
において長年の実績
→高い信頼度
ダイノード構造が複雑
→高価格
•
•
•
•
新規開発
Super-K PMTよりも
優れた性能をもつ
Super-K PMTと同原理
→低リスク
簡素なダイノード構造
→コスト削減
•
•
•
新規開発
•
シンプルな構造
→低コスト
PMTより優れた性能
新しい技術，実績が必要
→ハイリスク
4
HK 光検出器 R&D
目的
水チェレンコフ検出器内において長期間実用可能な高性能光検出器の開発
流れ
50cm
高QE Super-K PMT
岡島18pSG8
中山18pSG9
QE
QE [%]
Super-K PMT
50cm 高QE box&line PMT
40
High-QE R3600
35
ZP0007
ZP0012
ZP0014
30
25
ZP0015
1.4
ZP0021
ZP0022
ZP0024
ZP0025
20
20cm HPD
Normal SK PMT
15
50cm 高QE HPD
Normal-QE R3600
10
5
QE 22%
well-known
0
300
350
400
450
500
550
600 650 700
Wave Length [nm]
QE 30%
江18pSG7
•
まず，50cm 高QE Super-K PMTと20cm HPDを開発し， 実証試験 200トンタンク
詳細な性能評価を行った。
現在，200トン水チェレンコフ検出器内で実証試験中 18aSB6西村
•
50cm径のBox&Line PMTとHPDの開発状況について報告
5
Box&line PMT 原理
e-
Super-K PMT
(Venetian Blind型ダイノード)
•
•
e-
複数の電子軌道
１段ダイノードをスキップ
する場合がある
Box&line PMT (Box&line型ダイノード)
Box
•
•
単一の電子軌道→優れた時間・電荷分解能
大きなアクセプタンス→高い収集効率
Line
6
B&L PMT 試作機開発
50cm KamLAND
B&L PMT
有効径：43cm
集束電極
• KamLANDで使用されている
50cm径Box&line PMTは
有効径がSuper-K PMTよりも小さい
→光電面の形状の最適化，
集束電極追加，Boxダイノードを拡大
• 高QE光電面を採用
• バルブ形状を変更し，
水深90mの耐水圧を達成
→Super-K PMT(水深65m)よりも
さらに安全な設計
7
B&L PMT 量子・収集効率
高QE光電面
•
•
Box&line PMT: 30% at 400nm
(Super-K PMT: 22%)
Quantum efficiency (%)
•
Quantum Efficiency vs. Wavelength
Super-K PMT(有効径46cm)と同等の
一様な量子・収集効率が得られた
光電面の一様性
Y軸
40
High-QE Box&Line PMT
35
High-QE Super-K PMT
30
Normal-QE Super-K PMT
25
20
15
10
5
0
300
350
400
450
500
550
600 650 700
Wavelength (nm)
収集効率CE
Box
Line
X軸
46cm
X軸
Y軸
46cm
X軸
Y軸
8
•
•
Normalized pulse height (a.u.)
B&L PMT 開発現状
ブリーダー回路の選定：
２種類の回路で波形を比較，性能がほぼ同等で
あることからリンギングの少ない回路を採用
ゲイン：107レベル
0.2
0
-0.2
ブリーダー回路A
-0.4
ブリーダー回路B
-0.6
-0.8
-1
-50
Gain
Super-K PMTと同様の曲線 (G = αVβ)
0
50
×106
60
100
150
Time (ns)
ゲインカーブ
20-inch high-QE B&L PMT
50cm 高QE
B&L PMT
Super-K PMT
•
50
実証試験：2014年8月，３本の50cm径高QE
B&L PMTの200トン水タンクへの実装が完了
40
30
20
アフターパルス：一般的にB&L PMTでは
多いとされ，試作機においてもSuper-K PMT
よりも多量のアフターパルスを確認した
•
今後，物理感度への影響の見積もりと
詳細な調査が必要
×10-6
30
25
20
15
メインパルス
•
10
Probability (/ns /Main pulse)
•
10月，試験開始予定
Super-K
PMT
0
1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400
HV (V)
アフターパルス
50cm 高QE
B&L PMT
Super-K
PMT
10
5
0
0
10000
20000
30000
40000
Time (ns)
9
HPD 原理
PMT
Metal dynode
HPD Avalanche Diode (AD)
= APD without photocathode
~260V
-300V
e-
e-
Amp
e-
Amp. gain
ΔV
~<-300V
-260V
first step gain
~1kV
1-2kV
x ~15
5
Total gain
Advantage
•
•
•
Challenge
•
•
~107
first step gain
~8kV
× ~400
~1,600
Avalanche gain
× ~100
50~100
Total&gain&~4x10
105 4&&&×& Amp. gain
シンプル構造 →低コスト化の可能性
短いドリフト長→高い時間分解能
高い初段ゲイン→高い電荷分解能
高電圧の取り扱いが難しい
水チェレンコフ検出器での実用例がない
10
HPD プリアンプ開発
1800
20mm AD
ノイズ σ (uV)
1600
•
20cm HPD(5mm径AD搭載)の
収集効率の設計値は97%
•
50cm HPDでも高い収集効率を得るために
ADサイズの目標値を20mm径とした
•
20mm ADは接合容量は約800pFと
巨大であるため，20cm HPDのときに比べ
ノイズが増加し，S/Nが保てなくなる
•
接合容量を見かけ上，小さくするような
50cm HPD専用のプリアンプが必要
•
•
KEK，東大，浜松ホトニクスで開発を始めている
1400
1200
1000
800
600
400
5mm AD
200
0
10
100
1000
AD接合容量 (pF)
１光電子
50cm HPD
w/ 20mm AD
50cm HPD専用プリアンプでの波形
現状では1光電子信号を確認できるが
S/Nが充分でないため，開発続行
11
HPD 開発現状
•
AD接合容量によるノイズを減らすため，
低容量化やマルチピクセル化についても検討中
•
低ノイズで安定に8kVを供給できる
HVモジュールの開発を複数の会社に依頼し，
安全で低価格なものを選別する
•
20mm,15mm,5mm AD搭載50cm HPDを
試作，5mm AD HPDで性能評価を進めている
•
Box&line PMTと同様に試作機が完成した後，
実証試験を開始する
マルチピクセルAD?
20mm AD HPD
5mm AD HPD
12
まとめ
•
•
•
Hyper-Kamiokandeに向け，50cm径のHPDとBox&Line PMTを開発している
•
2016年までにHyper-K用光検出器を選定する
Box&Line PMT: 試作機が完成し，実証試験用タンクに実装し１０月から試験を開始
HPD: 20mm AD用プリアンプ，低容量/マルチピクセルAD，
低ノイズHVモジュールの開発が進行中
20cm HPD
選定
Here
試作機
開発
性能評価
実証試験
高QE Super-K
PMT
？
50cm 高QE
box&line PMT
50cm 高QE
HPD
Preamp.
開発
2012
2013
2014
2015
2016
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