MCP-PMTMCP-PMT量子効率の面一様性の測定量子効率の面一様性の測定

名古屋大学　理学部　物理学科高エネルギー物理学研究室

４年　鈴木康文

目的目的

GaAsP光電面を持つMCP-PMTの光電面は 22㎜ ×22㎜の大きさを持つ

測定装置の構築測定装置の構築

MCP-PMTの光電面の性能評価MCP-PMTの光電面の性能評価

光電面上で量子効率が一様であるならば場所によらず一様な光子検出性能が得られる

光電面上での量子効率の波長・位置依存性の測定を行う測定装置がない

背景背景

一光子の検出高い時間分解能（ 40ps以下）5㎜以下の位置分解能高磁場（ 1.5T）下での使用可400～ 700㎚の光子の検出

GaAsP光電面を持つMCP-PMTGaAsP光電面を持つMCP-PMT

TOPカウンターにおける光検出器TOPカウンターにおける光検出器

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量子効率（ QE)量子効率（ QE)

一つの光子が光電面に入射した際に一つの電子を放出する確率

光電面への入射光子数を Nph放出電子数を Ne量子効率を QE

光子 電子

光電面 MCP アノード4

同じ比で比例する。

量子効率の求め方量子効率の求め方

単位時間あたりを考える

nph:1秒間の入射光子数i:光電流値 ,e:素電荷

入射光子数（ nph ）が分かれば QEが測定可能

QEの分かっている光検出器に対して光

電流（ i ）を測定すれば入射光子数（ nph ）が分かる。入射光子数を知るためにフォトダイオード（ PD）を用いた。

MCP-PMT i

MCP-PMT,PD測定時に入射光子数が一定なら

PDの量子効率（波長依存性）PDの量子効率（波長依存性）

PD

セットアップセットアップセットアップ図セットアップ図

ピコアンメータ（測定精度 10fA）による電流測定スポットを固定して可動台（位置精度 15μm）でMCP-PMT,PDを移動

光源　ハロゲンランプ　モノクロメータで波長ごとに分光する波長領域　　 260～ 900㎚（ 20㎚ごとに測定）（波長分解能 1.5㎚）

PD

MCP-PMT

スポットX

Y

PCによる自動化　（ピコアンメータ、可動台の制御および QE計算）

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セットアップセットアップ電気回路図電気回路図

MCP-PMT

MCP-PMT測定時は加速電圧を500Vに設定して測定している。

光電流の測定が必要なのでMCP-PMTはMCPの手前での電流値を測定する。

PD

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セットアップセットアップ注意したところ注意したところ

スポット以外からの光の入射

スポット以外からの光の入射をなくすため光路を筒で覆い黒いテープで巻いた。ノイズ対策

スポット

筒

ノイズ対策として信号線に同軸ケーブルを用いてアルミ箔で覆いさらに黒いテープで巻いた。

信号線

光の乱反射対策

光の乱反射対策としてスポット周辺はできるだけ黒いものを用いている。

可動台MCP-PMT

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測定手順測定手順

1㎜おきに 23×23の 529点で電流値（ im）を測定

直径 1㎜のスポットで光を照射

1点のみで電流値（ im）を測定

MCP-PMT PD

光を当てない状態の電流値（ id）を測定

光電流値（ iph）を見積もる　　 iph=im-id

MCP-PMT光電面上の位置ごとの QEを計算MCP-PMT光電面上の位置ごとの QEを計算

MCP-PMT,PD

MCP-PMT,PD

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セットアップの評価セットアップの評価

入射光波長 540㎚， 0.5㎜ごとの移動における測定電流値（ A）

MCP-PMTを 90°回転して測定を行うMCP-PMTを 90°回転して測定を行う

サンプル固有の二次元分布を得ることができた。サンプル固有の二次元分布を得ることができた。

回転前回転前

GaAsP光電面を持つMCP-PMTのプロトタイプ測定GaAsP光電面を持つMCP-PMTのプロトタイプ測定

得られた二次元分布図はサンプル固有のものか？得られた二次元分布図はサンプル固有のものか？

回転後回転後

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結果結果波長ごとの QE位置依存性波長ごとの QE位置依存性波長 400㎚ ,540㎚ ,700㎚の二次元 QE分布図

それぞれの波長における QEの最大値を色調の最も高い部分としている。

QEの強度分布は波長ごとに目立った違いは見られない。QEの強度分布は波長ごとに目立った違いは見られない。11

結果結果

○　今回の測定の面平均○　（ 6,11）○　（ 12,12）○　（ 8,20）

○　今回の測定の面平均○　（ 6,11）○　（ 12,12）○　（ 8,20）

QEの波長依存性は位置によらず高さの傾向が似ている。

QEの波長依存性は位置によらず高さの傾向が似ている。

ある位置における QEの波長依存性ある位置における QEの波長依存性

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短波長側ではハロゲンランプからの光量が少ないため誤差が大きくなっている。

短波長側ではハロゲンランプからの光量が少ないため誤差が大きくなっている。

相対誤差1.6%

全測定点おける QEの波長依存性全測定点おける QEの波長依存性

小さなグラフは横軸波長、縦軸 QEで0 ％を下限、 15 ％を上限としている。

小さなグラフは横軸波長、縦軸 QEで0 ％を下限、 15 ％を上限としている。

X

Y

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QEは面全体として似たような波長依存性を持っている。

QEは面全体として似たような波長依存性を持っている。

まとめまとめMCP-PMTの量子効率の面一様性を測定する自動化された装置の構築に成功した。MCP-PMTの量子効率の面一様性を測定する自動化された装置の構築に成功した。

今回の測定では波長 540㎚で最大 QEとなる点（ 6,11）において相対誤差 1.6 ％という精度で測定できた。

今回の測定では波長 540㎚で最大 QEとなる点（ 6,11）において相対誤差 1.6 ％という精度で測定できた。

•1㎜のスポットで 1㎜おきに 23×23の 529点測定•波長領域　 260～ 900㎚　（ 20㎚ごとに測定）•PCによる自動化

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バックアップバックアップ波長ごとの位置別量子効率比波長ごとの位置別量子効率比

今回の測定の面平均 （ 6,11） （ 12,12） （ 8,20）

400㎚ QE(%) 5.572 9.676±0.835 6.093±0.566 1.739±0.656

400㎚ QE比 1 1.737±0.150 1.093±0.102 0.3121±0.1177

540㎚ QE(%) 8.131 13.33±0.21 8.937±0.160 3.065±0.168

540㎚ QE比 1 1.640±0.026 1.099±0.020 0.3770±0.0206

700㎚ QE(%) 3.708 6.091±0.207 3.943±0.136 1.220±0.149

700㎚ QE比 1 1.643±0.056 1.064±0.037 0.3291±0.0402

QE比は今回の測定の面平均を 1としている。

QE比は位置ごとに一定の値となっている。15

バックアップバックアップ誤差誤差

　モノクロメータの波長分解能　　　　　　　 1.5㎚　可動台の位置決定精度　　　　　　　　　 15 ㎛　ピコアンメータの測定精度　　　　　　　　 10fA　

測定系からの誤差を評価した。

ピコアンメータの測定精度はMCP-PMT,PDの測定電流値に対して、可動台の位置決定精度はMCP-PMTの測定電流値に対して、モノクロメータの波長分解能はMCP-PMT,PDの光電流値に対して適用して QEの誤差の計算に用いている。

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可動台の位置決定精度

モノクロメータの波長分解能

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