1 高い時間分解能を持った マルチアノード型光電子増倍管の開発 名古屋大学 高エネルギー研究室 概要 光電子増倍管 L16 の開発目的 L16 の特徴 Multi-channel-photon-hit 時の時間分解能の悪化 Cross-talk 対策と対策成果 Summary ～ cross-talk による時間分解能悪化の改善 宮林 善久

2 マルチアノード型光電子増倍管の開発目的 TOP-counter: チェレンコフ光を用いた新しいタイプの粒子識別装置 TOP(Time-Of-Propagation) counter の R&D 用光検出器として必要 1. 一次元の position sensitive （ 1mm 幅 ×16mm×16ch ) 2. 時間分解能 (σ ＜ 100psec) 3.single photon が検出可能 L16-PMT (R5900U-00-L16 ) HPK を開発 L16 は上記の性能を生かして TOF-counter などへも応用できる。 そのため PMT 単体の開発としても意味がある。 L16 の優れた性能 今回、未解決だった cross-talk についての改善を行った

3 L16 の特徴 メタルパッケージ型 PMT L16 のその他の性能 Q.E. : ～ 25% （バイアルカリ λ ～ 400nm) Gain : 6×10 （ PMT HV:900V ） 収集効率 : ～ 50% Pulse Height 優れた位置検出 優れた時間特性 rise time ～ 0.6ns 6

4 L16 の高い時間分解能 single photon 照射時の signal 分布 Single photon peak の ADC region で、 時間分解能 ～ 60psec Single photon peak region ADC （電荷情報）分布 Single photon peak region で cut した時の TDC （時間情報）分布 第１、第２ダイノードへの印加電圧値を 既存品の二倍に改良した効果

5 PMT 評価のための set-up PMT あたりに同時に hit する光子数ｎ Multi photon 照射 n 光子数 pmt （ ） > 1 Filter の濃さを変えて PMT にあたる光量を調節 Cross-talk の影響を評価するために Multi photon 照射を行った Pulser の性能 1ch 16ch jitter ～ ±10psec λ ～ 420nm 10kHz で発光

6 Multi photon 照射時の波形 Slit offSlit on Multi photon を全面照射した時には異常な波形が出力される ← cross-talk の影響 第 8ch 第 8ch のみ照射した時と全面照射した時の第 8ch の波形の違い 全面照射第 8ch のみ照射

7 Cross-talk あるチャンネルに光子が入射し出力が出ると 他の全 channel に特性が反転した信号波形が誘起される 全面照射時には、この誘起信号 (cross-talk) が 本来の信号と合わさって波形が著しく変化する Slit on 第 8ch 第 8ch 以外の ch 第 8ch のみ照射した時の波形の様子

8 Multi photon 照射時の時間分解能 第 8ch のみ照射した時 時間分解能の悪化は見られない Slit off Slit on 全面照射した時 第 8ch 以外の channel に hit する光子数が上がる程、第 8ch に 寄与する cross-talk が増え、時間分解能が急激に悪化する Threshold –80mv PMT H.V.1000v 光量を変化させたときの第 8ch の時間分解能のふるまい 第 8ch 第 8ch 以外の channel に hit する光子数大 （ Single photon peak での時間分解能）

9 Cross-talk の原因 （ 1 ）の経路に PMT の構造上無視できないインダクタンス L の効果があり 最終ダイノードの電位を回復するのに時間がかかる リアクタンスの大きさは cross-talk の波形の周期から見積もると数 nH である 最終ダイノード･アノード付近の簡略回路図 「 Cross-talk は最終ダイノードの電位のゆれによりアノードに誘起される変位電流」

10 Cross-talk 対策 最終ダイノード･アノード間にシールド電極を設置した ねらい：「構成されるキャパシタンスを減らし最終ダイノードから アノードに誘起される cross-talk を減少させる。」 Ground 電位 メッシュ製

11 Cross-talk 対策の成果（１） Cross-talk 対策前 Cross-talk 対策後 =6 から =28 に改善 信号 channel の pulse height 1 つの channel からの cross-talk 第 8ch のみ照射した時の第 8ch 波形と cross-talk 波形 第 8ch Cross- talk の ch 180 mv 30 mv 140 mv 5 mv が 対策前対策後 S N c-talk =

12 Cross-talk 対策の成果（２） Cross-talk 対策型は PMT 全面に hit する光子数が増加しても 時間分解能が悪化しない Threshold –40mv PMT H.V.900v 光量を変化させたときの時間分解能のふるまい cross-talk 対策前と対策後の比較 （ Single photon peak での時間分解能） PMT 全面に Hit する光子数

13 Summary L16-PMT において cross-talk 対策による時間分解能の向上に成功した Cross-talk 対策として最終ダイノード･アノード間に shild 電極を設置 その結果、 multi photon 照射時でも時間分解能が悪化しない この高い時間分解能を持つマルチチャンネル PMT は TOF counter など、多くの局面への利用が期待できる。 6 ■ Single photon peak region で、～ 75psec S N c-talk = S N c-talk = から 28 に改善

14 Cross-talk 対策の副作用 Gain が従来品の 60 ％～ 80 ％に低下 ＡＤＣ分布に小山が生じる Efficiency が対策前の 80 ％以下に低下 対策前のＡＤＣ分布対策後のＡＤＣ分布 対策前と対策後の Efficiency の比 (single photon 全面照射時 )