2016 Fiscal Year Research-status Report
ハイブリッド化による大口径高感度の新型光検出器の開発
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15K05110
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| Research Institution | High Energy Accelerator Research Organization |
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Principal Investigator |
足立 一郎 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 素粒子原子核研究所, 准教授 (00249898)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 光検出 / シングルフォトン / ハイブリッド検出器 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、ハイブリッド技術を用いることでシングルフォトンに高感度を持った大口径の新型光検出器を開発することである。光センサーには、MPPCを用い、真空管技術を用いて小面積センサーであるMPPCを真空管内に設置することで、大きな面積にまで高い検出効率をもつ全く新しいセンサーとして使用可能にするものである。昨年度の実績から、この新型光検出器製造にあたっての障害はほぼなくなっており、基本的な動作は可能であることがわかっている。これらの受け、2016年度の研究は、開発している新型光検出器に関して (1) シングルフォトン感度において高性能を目指すこと及び (2) 検出器自身のより長期的な安定動作の検証が主な点である。(1) シングルフォトン感度の向上：デザインを改善し、光電子の飛跡経路を計算機を用いてシミュレーションを行い、より効率のよくMPPCに集積するように電場の配置を再考し、これらの最適化を行った。また、光電面の量子効率の向上に向け、アルカリ活性化の方法の検討し、光電面の端部においても均一な値をもつようにした。MPPCのゲインについては、現状で十分な値が得られているが、アルカリ活性化で漏れ電流が増加しており、これの低減の可能性について検討を行った。これは次の長期安定性とも関連があると考えている。(2) 長期的な動作の検証：新型光検出器の安定動作の検証として、100時間程度の連続運転を実施。シングルフォトン感度及びゲインの変化を測定した。また、印加する電圧を低くできれば安定動作につながるため、印加電圧を低くし、感度の変化を調べた。電圧が低くなれば、光電子の集積効率が悪くなるので、二つの相反する項目について最適化を行った。以上の内容が2016年度の主な研究概要である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
昨年度は新型光検出器の製造可能性と動作確認が主な成果であったが、本年度は、より詳細な項目を検討し、性能向上を目指した。このような研究推移は、新しい検出器開発の進捗としては順調であることの証左と考える。
シングルフォトン感度の性能向上については、MPPC付近に電場成型用の金属板をもうけ、光電子の集積効率を上げることが可能となった。真空管の形状については、これらの電極を設置できるような構造とした。このような改善は感度向上に効果があるだけどなく、製造過程の容易化にも貢献すると考えられる。また、ゲッターを内部にもうけ、より徹底した不純物の除去ができるように変更を加えた。光電面の量子効率の一様性を上げるため、アルカリシールド板を加え、光電面一面により均一にアルカリが付着できるようにした。これらの改良後の新しいサンプルの試験において、ピークにて37%と高い量子効率を得ることができた。また、光電子の集積効率も向上し、より均一なレスポンスが得られることがわかった。
長期安定性については、上記でも記載のように、現状は100時間ほどの連続運転にてゲインや感度について問題ないことが確認できた。これによって、全く新しい検出器ではあるが、その構造や製造方法などに関して根本的な問題がないことが検証できた。しかし、100時間以上の連続運転について試験を行う必要があると考える。また、低い電圧印加での性能試験では、1kV程度の電圧にて十分にシングルフォトン信号の検出が可能であることが判明した。検出効率との関係を詳細に調べる必要があるが、これは低印加電圧での動作は長期安定性に大きく寄与すると考えられるので、良好な兆候と言える。
光検出器の測定試験の環境は十分に揃っており、浜松ホトニクスとの連携も密にしており、これらはボトルネックとはなっておらず、スムーズな製造、試験を実施している。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度の研究推進は、最終年度となるため、総合試験を行うことが目標である。新型光検出器の製造は試作も含め3サンプルにとどまっている。今後はこのサンプル数を増やし、それらの基本特性の試験を実施し、検出器性能の安定度の評価まで踏み込みたいと考える。同時に、量子効率のさらなるアップの可能性について、浜松ホトニクスと適宜協議し、可能な範囲で試作を進める。
また、安定性試験については、さらに長時間の経緯を確認し、その信頼性を評価する計画である。
最終的には、チェレンコフ光の検出可能性を確認するため、シリカエアロゲルを輻射体としたプロトタイプを作る。シリカエアロゲルは屈折率1.05程度のものを用いて暗箱の中に設置する。本研究で開発を行っている新型光検出器をチェレンコフリングが検出できる所におく。光センサーとしては新型光検出器に加えて、ハイブリッドアバランシェ光検出器又はマイクロチェンネルプレートPMTも同時に設置する。これによって結果を比較することができ、より定量的な試験が可能となる。暗箱の前後にトリガーカウンターをおき、宇宙線を用いてチェレンコフ光の観測を実施する。この総合実験によって、今回の新型光検出器の性能から応用可能性まで研究としてまとめる予定である。
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| Causes of Carryover |
検出器のデザインの最適化に思った以上に時間がかかっため、全予算執行するためのサンプル購入などに時間的余裕がなかったため。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
最適化が完了し、これによって製造方法の簡略化ができた。したがって、今年度は順調に執行できる計画である。
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