144 ch マルチアノードＨＡＰＤの開発研究

144chマルチアノードＨＡＰＤの開発研究 イントロダクション光検出器への要求ＨＡＰＤの動作原理144chマルチアノードＨＡＰＤの仕様性能測定方法多チャンネル同時読み出しシステムまとめ今後名古屋大学理学研究科　　馬塚優里

イントロダクション エアロジェルRICH（Ring Image CHerenkov）カウンター • Belle実験用新型K/π識別装置 • コンパクトな設計 • シリカエアロジェル • 光検出器 • チェレンコフ光の放出角の情報でk/πを識別 8 GeV e- e+3.5 GeV エアロジェル輻射体（1～2cm）従来の閾値型チェレンコフ検出器光子 K/π Up リングイメージ型検出器位置分解能のある光検出器

RICHの性能 角度分解能　～14mrad 検出光子数　～6個　　これまでの開発経緯エアロジェルの透過率向上検出光子数～1.5倍に4×4フラットパネルPMT(H8500) 有効面積～89% 2004 性能向上のためのスタディマルチラディエーターの性能評価 6×6マルチアノードPMT(R5900-M16)有効面積～49% 2003 エアロジェルを複数枚用いて角度分解能を悪化させずに光子数を増加 Systematic study完了 2002 基本原理の確認 2001 2000 イメージインテンシファイアでとらえたチェレンコフリング

光検出器への要求 • 1光子検出可能 • 5mm程度の位置分解能を持つ • 有効面積比が大きい • 1.5Tの磁場中で使用可能 HAPD

Hybrid Avalanche Photo Detector BELLE エアロジェルRICH用 HAPD LHCbで使用予定のHPD 真空管+avalanche photodiode、近接型真空管+photodiode、静電場でfocus Pixel APD • HV Gain のみ (～103) • 磁場中で使用不可能 • HV + Avalanche Gain (～104) • 高Gainの獲得が可能 • 磁場中で使用可能エアロジェルRICH用光検出器として開発中

144ch マルチアノード型 HAPD 74mm 144-□4.9mm 浜松ホトニクス社と共同開発中 • 光電面材質 : マルチアルカリ • 有効面積 : 64×64 [mm] • APD数 : 2×2 (Chip A,B,C,D) • チャンネル数 : 144ch (6×6ch / 1APD) • チャンネルサイズ : 4.9×4.9 [mm] • チャンネル間ピッチ : 0.6 [mm] • 有効面積比 : 65 % B C A D １chip=36pixel 144 channel HAPDの外観

性能評価のセットアップ アパーチャー • 2D方向にscanning可能なステージ • スポット光～200mm HAPD PLP 電流計レンズ可動ステージ測定項目 • HV Gain、 avalanche Gainの測定 • パルス測定 (CAMAC使用) • Uniformity 測定　　(全読み出しチャンネルを短絡して測定) • 位置分解能、クロストークの測定 (読み出しチャンネルを固定して測定) HAPDのマルチアノード光検出器としての基本性能を評価する

HV、avalanche Gainの測定結果 Avalanche Gain HV Gain ●Chip A ■Chip B ▲Chip D ●Chip A ch22 ■Chip B ch22 ▲Chip D ch22 Leak current APD Bias 耐圧 : 328V (Chip A) 349V (Chip B) 415V (Chip D) HV Gain : 1300 ～ 1900 ( 9 kV印加時) Avalanche Gain : 40 (Chip D に400V印加時) Total ～ 5×104 APDの個体差が大きい

Mean S/N = = 9.3 1光子検出可能！ s(1photon) パルス測定 1光子照射時のADC分布 Chip B HV : 8.5kV Bias : 305V 1光子照射時の出力波形 10mV Mean = 68.0 σ(1photon) = 7.3 Pre-amp : CLEAR PULSE 580K Shaping-amp : ORTEC 672　を使用

Chip B Uniformity(1) Chip B の全面をscan (pitch : 1mm) 出力電流のUniformity 光電面のUniformity [mm] [mm] [mm] [mm] X,Y軸はPhotonの入射位置 QEが局所的に低い＜QE＞ = 8%

Uniformity(2) Total Gain のUniformity [mm] Total Gain HAPD出力電流光電面のUniformity HV Gain + avalanche Gain • HV Gain (8.5kV) : 1700 • Avalanche Gain (305V) : 5 • ～ Total Gain : 8500 Gain (Min) = 70% Gain (Max) [mm] ピクセルごとのAvalanche Gainの差が大きい

クロストーク 読み出しチャンネルに誘起される電流量 (X,Y軸はphotonの入射チャンネル) 5% 4.2% 2.8% 2.7% 隣接チャンネルで 3～5% その他チャンネルは2%以下 [ch] [ch]

位置分解能(1) 管の内側管の側面側 • x軸方向の読み出しチャンネルを　固定し、0.1mm pitch で光源を動かす • 横１列分（6チャンネル）を測定 ch2 ch3 ch4 ch5 ch6 I[A] y 4.9mm Chip B x 位置分解能 : 約5mm （側管付近を除く） ch1 最も側管に近いチャンネルだけは正常に反応していない光を照射している位置

位置分解能(2) 光子 HV印加時に入射窓と金具部分は同電位同電位入射窓光電面金具側管付近の電場が歪む！側管付近に入射した光子から生成される電子はその軌道を曲げられてしまうセラミック電子磁場中(1.5T)で動作させることによって回避できる。検証の必要あり

ＶＡを用いた多channel読み出しsystem VAチップ • 各チャンネル入力ラインにそれぞれcharge amp、shaper、sample&hold回路 • 多channelの信号が1channelにシリアル化されて出力 • K2K用に開発されたものを利用 VAボード • 1boardにVA 2chip(裏と表)　　1chipにつき32ch. • これをHAPD用に2board用意（全128ch.）

ＶＡを用いたパルス測定 VAボード VME 1ch.にスポット照射ＡＤＣカウントの負側にsignal出力HV:-8kV,Bias:315V DAQボード clock LED PC HAPD GATE 接続ボード 1光子照射時のＡＤＣ分布～3 VAを用いてHAPDの1光子検出可能！実際にビームを当ててチェレンコフ光を観測結果は現在解析中

まとめ エアロジェルRICHのための光検出器 144chマルチアノード型HAPDの性能評価を行った • 基本測定の結果 Gain : 1300×40=5×105,　1光子検出可能 (S/N = 9.3) • Uniformityの評価 Gain : min/max = 約70%,　 QE :　8％ • クロストークの評価隣接チャンネルで 3～5% • 位置分解能の評価約5mmの位置分解能を達成(最外チャンネルを除く) エアロジェルRICHの要請を満たすHAPDの開発は可能 APDの個体差、マルチチャンネル特性改善の必要あり

開発研究の今後 • クロストークの原因解明 • APDのみで反射率測定 • ＶＡを用いた多チャンネル同時読み出しシステムの完成 • 全チャンネルのパルス測定 • ビームテストの解析 • ビームに直接当たったときの反応 • 磁場測定 • 1.5Tの磁場中での振舞いを調査 • エアロジェルＲＩＣＨ検出器用読み出し回路 • 多チャンネルを高速で読み出すためのＡＳＩＣの開発研究

ＢＡＣＫ　ＵＰ！

HAPD 真空管光検出器技術と半導体技術の融合・・・新型光検出器Ｓｉダイオードを利用・・・シグナルの高分解能(3.64eV/1電子・正孔対) 利得・・・光電子打ち込み× アヴァランシェ効果高利得、低雑音な回路での読み出しが必要　光電子打ち込み時の後方散乱により理想値よりも減少する Belle検出器のEndcap部では磁場Ｂ // HAPD内の真空管内の電場での安定動作

HAPD測定回路 正逆バイアス電圧印加時 Rf: 50ΩR: 100MΩC: 10nF

位置分解能(1) チャンネル中央から12mm角を 0.5mm pitchでscan [mm] X scan Y scan Next ch Next ch 4.9mm [mm] [mm] 隣り合うチャンネルに対するクロストーク : 10%以下斜め隣、2ch以上離れた部分にはほぼ影響なし　

斜め隣 5% 4.2% 2.8% 隣接チャンネル 2.7% [ch] [ch] [%]

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