2019 年度実施状況報告書

ハイブリッド技術を用いた高性能光検出器の新展開

研究課題

研究課題/領域番号	18K03683
研究機関	大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構
研究代表者	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)
研究期間 (年度)	2018-04-01 – 2021-03-31
キーワード	光検出器 / シングルフォトン
研究実績の概要	昨年度に製造した新型光検出器のプロトタイプ第1号の性能評価を詳細に行ったことが大きな実績である。まず、シングルフォトンの信号が確認できるかという予備的な評価試験を実施した。これによって、シングルフォトン信号検出ということについては大まかに確認することができた。その後、詳細な試験として以下のことを行った。(1) 印加する電圧を変化させてシングルフォトンの信号の検出効率の変化を求めた。この研究の目的はできるだけ低い電圧で信号の検出を目指すものである。(2) プロトタイプのフォトカソード全体をφ1.0mmのレーザー光を用いてスキャンし、量子効率の一様性について調査した。その結果、全面でシングルフォトンが得られる効率があるが、端の部分で中央部を比べて約20%の落ち込みがあることが判明した。これはプロトタイプ製造時のフォトカソード生成時のアルカリイオン散布を真空管内で実施するが、この時の一様散布にまだ若干の問題があることを示唆する。今後のこの作業の詳細な最適化が必要かと思われる。(3) 上述したφ1.0mmのレーザー光を入射位置と信号が発生したMPPCの場所関係をしらべ、昨年度シミュレーションで得たマッピングの大まかなチェックをした。この手法では細かなところまでは比較できないが、シミュレーションとの比較は可能である。結果としてほぼ計算からの予想値と一致をみた。これは電場計算が正しく実施されていることの証左である。これらの結果をもとに、アルカリイオン過程の最適化を実施後、プロトタイプ第2号の製造を行った。第2号は最近完成し手元に届いたところである。簡単なテストでは、動作は問題なくできることは確認したが、詳細な性能試験はこれからである。また、磁場シールドの計算とデザインについては、第1号の性能試験が得られたので、それをもとにシミュレーションを実施しているところである。
現在までの達成度 (区分)	現在までの達成度 (区分) 2: おおむね順調に進展している理由プロトタイプ第1号が詳細に性能評価され、そのフィードバックを受けて第2号が完成したことは全体の計画は順調の進行していることを示すものである。しかも新型光検出器の最初のプロトタイプでシングルフォトンが観測できたということは、研究の方向性を確実にできたということである。さらに技術的な点であるが、製造段階において、フォトカソードを生成するアルカリイオン過程の最適化を詳細まで行う必要があったという点は当初は予想しておらず新しい知見であった。このような新たな視点を得られたことは、この研究において大きな進歩であると考える。今後の製造に寄与でき、製造段階での品質劣化を避けられるという意味では非常に大きいことである。また、この時に製造を依頼している業者の専門家の方と製造過程における起こりうる問題などについて非常に詳細な議論ができたことは今後の計画に大いに役に立つものである。また、実験装置についてであるが、プロトタイプをφ1.0mmのレーザー光を用いてスキャンしてデータ収集できるシステムを構築し、性能評価できたことは、今後プロトタイプの数が増えても、速やかに評価を実施できるということで、これは今後につながるものであり、研究の進行という観点から大きな意義である。このようなプロトタイプの性能評価を実施しつつ、第2号の製造を進め、さらに第1号の性能評価の結果をシミュレーションに取り込み、磁場シールドのデザインに取り組んでいることは、並行して研究を進行していることであり、進捗としては良いと考える。
今後の研究の推進方策	まずは新たに製造したプロトタイプ第2号の性能評価し、第1号との違いがあるかどうかを詳細に調べることが重要である。とくに第1号からのフィードバックが反映されているかどうかを確認すうすることが大切である。早急にこれをすすめ、プロトタイプ第３、4号の製造を行う。今まで同様性能評価と実施する。その後、これらプロトタイプをすべて同時にデータ収集ができるシステムを構築する。これは今の実験装置を発展させることで実現可能である。来年度は研究の最終年度となるため、総合試験として宇宙線テストを計画しており、そのためのトリガーなどの各種カウンターを準備する。先述した読み出しシステムを組み合わせ、宇宙線テストとして2-3ヶ月のデータをとり、解析を行う。この時に、プロトタイプだけではなく、既存の光検出器（例えばハイブリッドアバランシェ光検出器など）も同時にデータを収集する、これによってプロトタイプの性能評価として、他の光検出器と比較でき、より精度の良い総合試験ができると考える。磁場シールドに関しては、デザインを完了させ、それの制作を行う。これは所内の工作センターで製作可能と思われるので、比較的早く進めることができる予定である。その後、KEKの北カウンターホールにある磁場テスト装置を用いての試験を実施する。磁場テスト装置はすでに存在し、使用可能の状態である。このテストは宇宙線データの収集と並行して実施可能と思われる。年度末にはすべての結果をまとめ、可能であれば関係する国際会議や学会などで発表する予定である。
次年度使用額が生じた理由	プロトタイプの製造に際し、予備試験が必要となり、時間が当初より必要となった。また、この光検出器に興味を示しているイタリアのナポリ大学の研究者と出張して技術的な議論をする予定であったが、それができなかったことが挙げられる。