[論文レビュー] A Brief Technical History of the Large-Area Picosecond Photodetector (LAPPD) Collaboration

Bernhard W. Adams, Attenkofer, Klaus+39 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2016

Photonic and Optical Devices被引用数 41

ひとこと要約

LAPPD共同研究グループは、空間分解能が1 mm未塔のマイクロチャネルプレート（MCP）を用いて、大面積でピコ秒分解能を達成するフォトディテクタを開発した。主な成果として、50 psecの時間分解能、700 µmの空間分解能、および低消費電力で15-GS/sの波形サンプリングを実現したカスタムASICを達成し、ニュートリノ物理学や医療画像診断などの分野における粒子および光子検出における高精度な時間測定を可能にした。

ABSTRACT

The Large Area Picosecond PhotoDetector (LAPPD) Collaboration was formed in 2009 to develop large-area photodetectors capable of time resolutions measured in pico-seconds, with accompanying sub-millimeter spatial resolution. During the next three and one-half years the Collaboration developed the LAPPD design of 20 x 20 cm modules with gains greater than $10^7$ and non-uniformity less than $15\%$, time resolution less than 50 psec for single photons and spatial resolution of 700~microns in both lateral dimensions. We describe the R\&D performed to develop large-area micro-channel plate glass substrates, resistive and secondary-emitting coatings, large-area bialkali photocathodes, and RF-capable hermetic packaging. In addition, the Collaboration developed the necessary electronics for large systems capable of precise timing, built up from a custom low-power 15-GigaSample/sec waveform sampling 6-channel integrated circuit and supported by a two-level modular data acquisition system based on Field-Programmable Gate Arrays for local control, data-sparcification, and triggering. We discuss the formation, organization, and technical successes and short-comings of the Collaboration. The Collaboration ended in December 2012 with a transition from R\&D to commercialization.

研究の動機と目的

• 高エネルギー物理学および関連応用分野向けに、ピコ秒分解能と1 mm未塔の空間分解能を併せ持つ大面積フォトディテクタの開発を目的とする。
• 均一な特性と高い増幅率を有する大面積マイクロチャネルプレート（MCP）基板の製造における技術的課題を克服することを目的とする。
• カスタム低消費電力で高帯域幅の電子回路およびデータ取得システムを用いて、正確な時間測定と高いダイナミックレンジ検出を実現することを目的とする。
• 国立研究所、大学、米国産業界との連携を活用して、研究開発から商業化への移行を図ることを目的とする。
• DUSELやANNIEニュートリノ実験などの将来の大規模実験を支援するため、先進的なフォトディテクタ技術を提供することを目的とする。

提案手法

• 特殊な溶融鋳造および引抜き技術を用いて、MCP用の大面積高品質ガラスキャピラリー基板の開発。
• 原子層蒸着（ALD）を用いて、MCPに抵抗性および二次電子発生性被膜をコーティングし、増幅率の向上とノイズ低減を実現。
• スパッタリング法を用いて、高量子効率を有する大面積二アルカリ光起電極の製造。
• 単一光子信号の正確なタイムスタンピングを可能にする、カスタム15-GS/s、6チャネル波形サンプリングASICの設計および統合。
• FPGAを用いたローカルトリガ、データのスパarsification、リアルタイム制御を実現する2段階構造のモジュラー型データ取得システムの実装。
• 長期間にわたる安定性と性能を確保するための、RF対応で気密性があり、UHV環境にも対応したセラミックおよびガラス封止形パッケージの開発。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大面積マイクロチャネルプレートフォトディテクタは、同時に1 mm未塔の空間分解能とピコ秒分解能を達成できるか？
• RQ2 大面積MCPで高増幅率（>10⁷）と低ダークノイズ（<0.1 counts/cm²-s）を達成するための最適な材料および被膜技術は何か？
• RQ3 高帯域幅、低消費電力、高ダイナミックレンジの電子回路を大面積フォトディテクタに統合し、正確な飛行時間測定を実現するにはどうすればよいか？
• RQ4 国立研究所、大学、産業界が参加する複雑な検出器研究開発において、成功するための組織的・技術的戦略は何か？
• RQ5 研究開発の成果を、性能とスケーラビリティを維持したまま商業生産に移行できる程度はどの程度か？

主な発見

• LAPPD共同研究グループは、単一光子に対して50 psec未塔の時間分解能を達成した20×20 cm²のフォトディテクタモジュールを成功裏に開発した。
• 横方向の両方向で700 µmの空間分解能を達成し、高精度トラッキング応用の目標を満たした。
• 有効面積全域で非均一性が15%未塔の範囲で10⁷を超える増幅率を達成した。
• カスタム15-GS/s、6チャネル波形サンプリングASICを開発し、システムに統合した。これにより、高帯域幅で低消費電力のデータ取得が可能になった。
• 研究開発から商業化への移行に成功し、産業界および学術機関でのMCPおよびLAPPDモジュールの後続開発が継続されている。
• 国立研究所、大学、米国産業界が参加する多機関・多セクター連携が、先進フォトディテクタ技術分野におけるイノベーションを推進できることを実証した。