Aerogel RICH counter のための Geiger mode APD の性能評価と光学デザイン

Aerogel RICH counterのためのGeiger mode APDの性能評価と光学デザイン • イントロダクション • Geiger mode APDの性能評価 • 光学デザイン • Aerogel RICH counterのシミュレーション • まとめ N研　馬塚優里学術創成評価委員会　馬塚優里　

イントロダクション e-(8.0GeV/c) e+(3.5GeV/c) KEKBファクトリー実験: 電子陽電子衝突型加速器でB中間子を大量生成 B中間子系でのCP対称性の破れを精密測定 Belle検出器: B中間子の崩壊終状態に現れる粒子を検出現在のK/p識別装置閾値型Cherenkov counter (P>2GeV/cでは識別不可) 高運動量(P～4GeV/c)　　　　　　でも識別したい B=1.5T 新型K/p識別装置Aerogel RICH counter 奥行き28cm 半径1m Endcap部の大きさ　 (Ring Imaging CHerenkov) 学術創成評価委員会　馬塚優里　

Aerogel RICH counterと光検出器 Aerogel RICH counterの原理 Aerogel からのCherenkovリングを観測Cherenkovリングの放出角度qcからK/π識別 20cm qcπ –qcK～23mrad qc Beam testの結果検出光子数～8.5角度分解能～4.4mrad(運動量3GeV/c, Aerogelの厚さ 30mm、　　　マルチピクセルPMT使用） 1通過粒子あたり 200mm 光検出器への要求 PMT(光電子増倍管)は磁場中で使用不可・ 1.5T磁場中で使用可能・１光子検出能力・位置分解能～□5mm/チャンネル・高い光子検出効率15%以上新しい半導体光検出器Geiger mode APD 学術創成評価委員会　馬塚優里　

Geiger mode APDの動作原理と一般的特徴 Geiger mode APD受光面全ピクセルで1出力典型的サイズ～1mm 数mm Vbias(全ピクセル共通) • 　各ピクセル・・・なだれ増幅型フォトダイオード(APD） • Geiger mode・・・なだれ増幅範囲を超えたバイアス電圧(Vbias>Vbreak)印加→Geiger放電 (入射光子エネルギーによらず～106に増幅) →各ピクセルは2値信号 • 　全ピクセルで１つの出力・・・放電したピクセル数の和=１素子の検出光子数 • 　各ピクセルの抵抗を経由して出力→Vbias<Vbreakになり放電終了フォトダイオード→長波長まで高い量子効率薄膜（厚さ数μm）に高電界→磁場に影響されない、時間応答性がよい特徴学術創成評価委員会　馬塚優里　

本研究の目的 100 基本性能の確認 □2mm＋光学オプションで光検出器を構成光学オプションで実用面積拡大コンセプト 5mm 2mm 研究目的 Aerogel RICHでこのコンセプトが使えるか？どのようなメリットがあるか？光子のイベント数透過率(%) Geiger mode APDを Aerogel RICHに使う利点 ☺長波長側でも高感度　→光検出器に到達する長波長光子を検出可能☺高時間分解能　→時間情報（飛行時間差）でも粒子識別可能 50 光検出器に達する光子の波長分布 0 Aerogel RICHに使う際の問題 ☹高頻度の熱電子ノイズ（１光子信号と区別不可）☹小さい受光面積（～1mm2）学術創成評価委員会　馬塚優里　

測定項目 １光子検出能力時間分解能時間情報を加えた粒子識別の可能性タイムウィンドウでの熱電子ノイズ排除光子検出効率の波長依存性検出光子数の見積もりのため熱電子ノイズ発生頻度、ゲインとの関係測定項目と測定サンプル New Old 20mm 真の信号が来るタイミングが一定⇒その時間幅に来た信号以外は排除可能測定サンプル浜松ホトニクス製Geiger mode APD □1mmを用いて基本性能の確認学術創成評価委員会　馬塚優里　

Geiger mode APDの性能① １光子検出能力 1pe レーザーで1光子照射ゲインと1光子検出能力を測定 H100-old, Vbias=71.5V, noise～1.0MHz meanped: 98.9mean1pe: 137.1sped: 3.0 イベント数 pedestal x65 2pe 3pe ゲイン=1.8x1061光子のS/N=⊿mean/s=11.6 優れた光子計数能力通常のPMT(S/N～3)よりもはるかに高分解能１光子検出が十分可能なゲイン学術創成評価委員会　馬塚優里　

Geiger mode APDの性能② 時間分解能 ゲイン測定と同じセットアップ、１光子照射下で測定 H100-old, Vbias=71.5V, noise～1.0MHz PMT（s～300ps）に比べ高時間分解能・タイムウィンドウを使うには十分　熱電子ノイズの混入を防ぐため　タイムウィンドウを数100psにまで　小さくできる・粒子識別に時間情報を用いることも可能　　飛行時間差（K,p）～300ps @運動量1.5GeV/c イベント数 σ～102ps TDC 学術創成評価委員会　馬塚優里　

Geiger mode APDの性能③ 光子検出効率の波長依存性光子検出効率(l,V) = QE(l) x egeom x eGeiger(V) 暗箱 QE：量子効率 egeom：有感面積比eGeiger：Geiger放電が起こる確率可動ステージ filter 分光器 A Ref. PD 波長感度既知のフォトダイオード(Ref. PD)をリファレンスにして測定 A Geiger mode APD pin holef200mm H400-new1,Vbias=70.5V,ノイズ～400kHz 最大感度波長：460nm45%c.f. バイアルカリ光電面PMTでは350nmで最大量子効率 27%感度限界：250nm<λ<900nmPMTよりも長波長まで広く高感度 Aerogel RICHにおいて長波長の光子も検出可能！学術創成評価委員会　馬塚優里　

Geiger mode APDの性能④ 熱電子ノイズ 熱電子ノイズ・・1光子による信号と同じ　　　　波形でランダムに現れる Geiger mode APDの出力波形バイアス電圧を上げると☺波高（ゲイン）：上昇☹熱電子ノイズ頻度：増加熱電子ノイズ 1光子による信号遮光時、1光子波高の1/2を閾値としてdigitizeした信号をカウント 10mV/div1ns/div amp x65 熱電子ノイズ頻度の指標（タイムウィンドウ1ns） □5mm/チャンネルの光検出器160mm四方でのヒットイメージ熱電子ノイズ4MHz Cherenkov光による信号リングイメージを再構成するために＜1MHzであればよい学術創成評価委員会　馬塚優里　

Geiger mode APDの性能⑤ ゲインと熱電子ノイズ ゲインに対する熱電子ノイズ・・・両者ともバイアス電圧に依存 →兼ね合い 1MHz 新しい4つのサンプル：　同ゲインに対しノイズ頻度＜1/3 100pixel type: @ゲイン3.6x106ノイズ600kHz 400pixel type:@ゲイン1.5x106ノイズ400kHz 高ゲインでもノイズは1MHz以下 20±3℃ 全サンプルの内、新しいサンプル4つは使用可能！Cherenkovリングの再構成が可能なノイズレベル学術創成評価委員会　馬塚優里　

光学オプション 2mm 5mm Aerogel RICHでGeiger mode APDを使用する際の問題・・・受光面サイズ要求：□5mm/チャンネル　⇔　現在のGeiger mode APD：～1mm2 チャンネルサイズが小さい→☺画素数が増えて位置分解能は向上☹しかしチャンネル数が膨大で読み出し困難(□5mm⇒合計10数万チャンネル必要) 受光面サイズを広げる必要有り光学オプション（ライトガイド）をつけるGeant4で形状をシミュレーション □2mm 学術創成評価委員会　馬塚優里　

ライトガイドの形状最適化シミュレーション 最終的に下の２つの形状に着目長さを変えながら集光効率をシミュレーションし形状の最適化半球ライトガイド角錐台ライトガイド length 5mm 2mm 5mm length 2mm シミュレーションの設定入射角0.3rad入射光の波長400nm内部吸収なし材質：アクリル屈折率：1.47 集光効率最大で長さが最小　　　角錐台ライトガイド：長さ12mm　半球ライトガイド：長さ9mm表面反射以外ロスのない形状が可能学術創成評価委員会　馬塚優里　

Geiger mode APDを用いたAerogel RICHのシミュレーションビーム： P=3.0GeV/c、π中間子Aerogel：屈折率1.047、厚さ30mm、透過長36.3mm(@l=400nm) 20cm Cherenkov光の発生、Rayleigh散乱、ガイド内の吸収、光検出器の検出効率を含め、検出光子数を求める学術創成評価委員会　馬塚優里　

ライトガイド＋Geiger mode APDによる検出光子数 2mm 5mm ビームテストで用いた　マルチピクセルPMTとシミュレーションで比較ライトガイド＋Geiger mode APD 光子のイベント数 Cherenkov光がAerogelを通って光検出器に到達した数 ☞ライトガイド＋Geiger mode APDチャンネル間のギャップなしで並べられる☞マルチピクセルPMTチャンネル間にギャップあり有感領域に入る光子がそもそも少ない Aerogelの厚さ30mm1通過粒子あたり検出光子数 ☞マルチピクセルPMT：8.5個 ☞ライトガイド＋Geiger mode APD：32.1個検出光子数：ライトガイド＋Geiger mode APDではPMTの約4倍！学術創成評価委員会　馬塚優里　

まとめ 2mm 5mm Aerogel RICH counterにGeiger mode APDを応用することを提案基本性能（□1mmで測定）PMTよりも優れた１光子検出能力高時間分解能(σ～100ps)→　タイムウィンドウの使用可能光子検出効率→　λ=460nmで45% ! PMTに比べ長波長でも高感度熱電子ノイズとゲイン→　1.5x106のゲイン時　ノイズ～400kHz 受光面サイズ□2mmの受光面→ライトガイドによって実効的に□5mmへライトガイドは幾何学的ロスのない最適な形状を決定 Geiger mode APD＋光学オプションというコンセプトは実現可能最適化したライトガイドとGeiger mode APDを用いた場合検出光子数は8.5個から32個へと、約4倍向上！ Aerogel RICH counterの性能向上！学術創成評価委員会　馬塚優里　

Back up 学術創成評価委員会　馬塚優里　

Aerogel RICH counterの能力 チェレンコフ放出角qcの決定精度 Proximity focusing の問題点検出光子数増加のために厚いエアロジェルを使用できない • 1光子当りの角度分解能 : σθ • 検出光子数 : Npe チェレンコフ光発生点の不定性が増大角度分解能良角度分解能悪検出光子数少検出光子数大 Aerogel 薄 Aerogel 厚 Photon detector Photon detector 粒子識別能力 : pとKのチェレンコフ放出角の差 (屈折率 : 1.05、P = 4GeV/c) 薄いエアロジェルを用いた場合にどれだけ検出光子数を増加させるか Proximity focusingのポイント学術創成評価委員会　馬塚優里　

Geiger mode APDを用いたAerogel RICH counterの性能 K/p識別能力識別能力 strack：1通過粒子あたりの角度分解能s1pe：1光子あたりの角度分解能Npe：1通過粒子あたりの検出光子数 (運動量3GeV/c, Aerogelの厚さ 30mm) ライトガイド＋Geiger mode APDによって運動量4GeV/cでのK/p識別能力が5.2sから10.1sへ向上！学術創成評価委員会　馬塚優里　

Geiger mode APDを用いたAerogel RICH counterの性能 測定とシミュレーションを総合した性能見積り受光面□2mmになりライトガイド使用を仮定熱電子ノイズ 160mm四方（Cherenkovリングが収まる大きさ）ではノイズによるヒット：2.5個 K/p識別能力の比較 (運動量3GeV/c, Aerogelの厚さ 30mm) strack：1通過粒子あたりの　　　　角度分解能s1pe：1光子あたりの　　　角度分解能ライトガイド＋Geiger mode APDによって運動量4GeV/cでのK/p識別能力が5.2sから10.1sへ向上！学術創成評価委員会　馬塚優里　

他の光検出器との性能比較 Aerogel RICH counter用光検出器の候補とその性能学術創成評価委員会　馬塚優里　

APD(なだれ増幅型フォトダイオード)の動作原理APD(なだれ増幅型フォトダイオード)の動作原理なだれ増幅現象逆バイアス電圧を印加された空乏層中のキャリアーが電位差に従って動く逆バイアス電圧が大きく、電位変化が大きい⇒格子にエネルギーを渡す（エネルギー損失）よりもキャリアー自身のエネルギーが増加キャリアーのエネルギー＞平均エネルギー損失（Siでは3.6eV）⇒電子・ホール対を生成生成された電子・ホールがキャリアーとなり同様の現象を繰り返す学術創成評価委員会　馬塚優里　

Geiger mode APDの性能 熱電子ノイズの温度依存性恒温槽を用いて熱電子ノイズの温度依存性を測定温度によってGeiger放電が起こり始める電圧(Vbreak)が変化→各温度でVbreakから一定の電圧Voverを　　固定して測定　　(Vover=Vbias-Vbreak) Vover一定⇒温度によらずゲイン一定熱電子ノイズの発生率は強い温度依存性あり温度を20℃から10℃に下げると熱電子ノイズは約1/2になる-40℃では数kHzにまで減少温度を下げるとゲインを維持したまま熱電子ノイズだけを削減可能学術創成評価委員会　馬塚優里　

熱電子ノイズの原因 電子・ホール対は光子以外にも熱エネルギーによっても生成荷電子帯のキャリアーが熱エネルギーを得て伝導帯に上がると光子による信号と同じように振舞う Siのバンドギャップエネルギー：1.12eV荷電子帯電子の熱エネルギー：0.025eV @T=300K 差が大きくないため確率的に伝導帯へ遷移半導体内で熱励起される確率p(T) C：物質によって決まる比例定数T：温度Eg：バンドギャップエネルギーk：Boltzman定数学術創成評価委員会　馬塚優里　

Geiger mode APDの性能 ゲインのバイアス電圧依存性 Q=C(Vbias-Vbreak)の関係ゲイン・・・バイアス電圧とVbreakの差に比例 100pixel：C～230fC 400pixel：C～70fC ピクセル数が少ないほどCが大きくゲインが高いバイアス電圧を上げる　→ ☺ゲイン向上☹しかしノイズも増加兼ね合いで電圧は決定学術創成評価委員会　馬塚優里　

ブレイクダウン電圧 学術創成評価委員会　馬塚優里　

ライトガイドデザイン　入射角度による集光効率の変化ライトガイドデザイン　入射角度による集光効率の変化 endcap部への飛来粒子角度・・ビーム軸から0.3～0.6rad（17～34°）Cherenkov角・・・0.3rad程度（P=4GeV/c）　　　　　　　　　　　⇒入射光子角度はトータルで0.0～0.6rad(0～34°) 角錐台ライトガイドの集光効率 0.3radの入射角で最適化した形状では0.4radで集光効率が70%にまで落ちる 0.3rad以上の入射角でも集光効率がよい長さにする必要有り？しかしGeiger mode APDは磁場方向に影響されないため、各位置でビーム衝突点方向を向けて並べられる　　→入射角～0.3radを考えておけばよい学術創成評価委員会　馬塚優里　

ライトガイドの形状最適化シミュレーション 最終的に下の２つの形状に着目長さを変えながら各受光面サイズで集光効率をシミュレーションする半球ライトガイド角錐台ライトガイドシミュレーションの設定入射角0.3rad入射光の波長400nm内部吸収なし材質：アクリル屈折率：1.47 □1mmでの集光効率　最大～40%→ □1mmでは難しい□2mm以上では表面反射以外ロスのない形状が可能学術創成評価委員会　馬塚優里　

Aerogelの厚さに対する検出光子数 Aerogelを厚くしたときのNpeのふるまい→予想値と合うビームテストの結果でもこの予想値と合っていた →シミュレーションが正しいといえる学術創成評価委員会　馬塚優里　

シミュレーションの補正 ライトガイドとGeiger mode APD マルチピクセルPMT Npe≒6.2(c.f. Npe≒3.9 @beamtest) Npe≒25.0 検出光子数：Geiger mode APDではPMTの約4倍！ PMTを用いたシミュレーション：ビームテスト結果に比べ検出光子数が1.6倍多い　→ライトガイドとGeiger mode APDの結果も1.6倍学術創成評価委員会　馬塚優里　

K/p飛行時間差(TOF)情報の付加 Belle検出器内のK/pの飛行時間差低運動量ほど識別が容易 TOF～300ps @チェレンコフ閾値 Geiger mode APDの時間分解能σ～100ps チェレンコフ閾値以下でも積極的にK/p識別が可能！学術創成評価委員会　馬塚優里　

Geiger mode APDの性能時間分解能 Sample: C556-2, noise:～1.2MHz l=635nm l= 405nm l=635nm l= 405nm 違いが見える long tail(～4ns) short tail(～0.5ns) σ～103ps σ～110ｐｓ s~69ps s~142ps 波長依存性について：同じセットアップでPMTも測定→違いはなし →Geiger mode APD固有の性質？ゲイン測定と同じセットアップで時間分解能を測定１光子照射で２つのレーザーでそれぞれ測定 Sample: H100-old, noise:～1.0MHz 通常のPMT（～数100ps）に比べ高時間分解能→タイムウィンドウを使うには十分学術創成評価委員会　馬塚優里　

時間分解能の波長依存性の考察 hn e- e- e- e- e- e- h h h h h h n+ p+ p- hn シリコン内の光吸収長 a = f (l) あるGeiger mode APDでの電界強度分布（実際の測定サンプルとは異なる）reference: ICFA Instrum.Bull.23:28-41,2001 赤(l=635nm): Geiger領域で吸収　→早い信号drift領域で吸収　→遅い信号、TDCで長いテールとなる青(l=405nm) :Geiger領域に到達する前に吸収　→TDCでは短いテール, Geiger領域に達する前のふらつき大sを悪化させる (mm) 電界強度分布と波長によって時間分解能が変化するR&D次第でさらに高時間分解能も可能学術創成評価委員会　馬塚優里　

Aerogel RICH counter のための Geiger mode APD の性能評価と光学デザイン