ハイブリッド技術を用いた高性能光検出器の新展開

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18K03683
• Research Institution: High Energy Accelerator Research Organization
• 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, 教授 (00249898)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 光検出器 / ハイブリッド技術 / シングルフォトン

Outline of Annual Research Achievements

プロトタイプ1号機から4号機まで製作し、個々について性能試験を実施し、基本動作について問題ないことを確認した。そのあとで総合試験のため、4台をひとつの光検出システムと組み上げることができた。さらに全てのチャンネルに読み出し電子回路を取り付けられたことは重要な進歩である。その上で、データ収集システムのソフトウェアを更新し、外部のトリガー信号が発生した場合、光検出システムすべてのデータを問題なく収集できることを確かめることができた。よってプロトタイプ総合試験の準備は基本的には構築されたといえる。
このシステムでφ10mmのレーザー光を稼働ステージにのせ、外部パーソナルコンピューターから稼働ステージを動かし、光検出システムの信号の変化を調べた。この結果から、光検出器は予想通り動いていることが確かめられた。これはハードウェアの確認に加えて、収集したデータの形式やケーブルとチャンネルの対応関係など事象再構成プログラムなどのソフトウェアが正しいことのチェックもできたといえる。
磁場シールドについては、計算機シミュレーションで磁場の方向などを変化させ、形状を最適化した後、試作をおこなった。その評価のため、北カウンターホールのファンタスク電磁石の暗箱に光検出器プロトタイプ一台に磁場シールを取り付けた。この状態で磁場を1.5テスラまであげ、レーザー光を入射させゲインの変化を調べた。この結果から得られた光検出器の信号の変化は計算機で得られた予想とほぼ一致することが確認できた。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

実績で示したように、昨年度中に総合試験の準備が整ったことは前々年度の遅れを取り戻すことができたといえる。ハードウェアの状況としては、プロトタイプ製造に関しては専門業者の方との連絡は以前と同じではないが、直接打合せできる機会も持つことができた。これによって、今まで製造した4台の性能試験の結果を詳細について伝えることができた。さらに製造の専門家としての意見も聞きことができ、より知見も深まった。これにより今後の製造品の性能向上に貢献できたといえる。データ収集システムの構築については、やや時間がかかったが連携研究者と協力し、お互いの役割を決め、直接会う機会が少なくても、より効率的に進めることができる体制とし、結果としてこれが功をそうし、構築できたというのが現状である。
磁場シールドについては前々年度の計算結果に基づき、業者に製作を依頼した。材料の入手に若干の時間がかかったが、問題なく完成し、形状の評価ができた。さらに光検出器プロトタイプに取り付け一体化し、基本的な試験ができたという現状まで達成することができた。当初、磁場を用いた性能試験は安全性を考え、二人で実施することを予定してきた。今回は当初の予定通り、二人で安全を考慮して行った。今後の新型コロナの感染状況をみつつ、できるだけ性能試験への影響が少なくなるように試験時期を選んで実施予定である。今回さらに一年延長できることを考えると、研究全体としては、遅れた点を取り戻し、余裕をもって今後の研究を展開できるところに到達できたと考えるのが全体の進捗状況である。

Strategy for Future Research Activity

昨年度の延長期間を有効に用いたことで光検出器の最終的な総合試験の準備は完了しており、今後はさらに延長した期間を用いて、より多くのデータを集め、統計をあげた精密な実験を実施する予定である。光検出器システムにLEDまたはレーザー光を照射し、その反応信号からゲインなどを評価するが、電極の高電圧の変化ステップをより細かくし、精度の良いデータを取ることとする。最初の計画では10Vステップと考えていたが、5Vステップとし、より細かな変化を計測する。また、MPPCに印加するバイアス電圧もより細かく変化させ、2.5Vステップで信号の変化を調べる。これらの試験から得られたデータをシミュレーションと比較することで、計算機プログラムの性能向上につながり、今後の同様な光検出器の開発の貢献できこととなる。また、光検出システムを設置している暗箱にチェレンコフ輻射体として屈折率1.05のエアロゲルを20センチほど離れて設置し、宇宙線を用いてエアロゲルから発生するチェレンコフ光の検出を試みる。これによって、基本データだけでなく、粒子識別など実際の素粒子実験とほぼ同様な性能評価を行うことが可能となり、より現実的な性能試験ができると考える。磁場シールドについても、適切な時期を選び、より詳細なデータ収集を実施し、結果を計算機から得られた予想と比較する。必要があれば、この結果からシールド形状のさらなる最適化をすすめる。
これらの結果を得たのち、できればイタリアのナポリ大学へ出張し、大学の研究者とお互いの試験結果について議論し、今後の研究について打合せを実施したいと考える。

Causes of Carryover

新型コロナの影響で、プロトタイプ製造に時間がかかったことがある。昨年度の活動で、遅れは取り戻せたと考えるが、より詳細なデータ収集を行い、海外の研究者と対面で議論する必要がある。そのためのデータ収集にかかる経費及び海外への出張経費として使用する計画である。