[論文レビュー] Development and testing of cost-effective, 6 cm x 6 cm MCP-based photodetectors for fast timing applications

Jingbo Wang, K. Byrum+9 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2016

Advanced Optical Sensing Technologies参考文献 17被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、高速タイミング応用を目的として、原子層蒸着（ALD）で機能化されたマイクロチャネルプレート（MCP）を用いた、低コストで6 cm × 6 cmのMCPベースの光検出器の開発と試験が行われた。プロトタイプは、1枚の光電子モードで60 ps未塔の時間分解能と0.8 mm未塔の位置分解能を達成し、小規模な1本のチューブ処理システム（SmSTPS）を用いたスケーラブルな製造プロセスにより、低コストで高性能を実現した。

ABSTRACT

Micro-channel plate (MCP)-based photodetectors are capable of picosecond level time resolution and sub-mm level position resolution, which makes them a perfect candidate for the next generation large area photodetectors. The large-area picosecond photodetector (LAPPD) collaboration is developing new techniques for making large-area photodetectors based on new MCP fabrication and functionalization methods. A small single tube processing system (SmSTPS) was constructed at Argonne National Laboratory (ANL) for developing scalable, cost-effective, glass-body, 6 cm x 6 cm, picosecond photodetectors based on MCPs functionalized by Atomic Layer Deposition (ALD). Recently, a number of fully processed and hermitically sealed prototypes made of MCPs with 20 micron pores have been fabricated. This is a significant milestone for the LAPPD project. These prototypes were characterized with a pulsed laser test facility. Without optimization, the prototypes have shown excellent results: The time resolution is ~57 ps for single photoelectron mode and ~15 ps for multi-photoelectron mode; the best position resolution is < 0.8 mm for large pulses. In this paper, the tube processing system, the detector assembly, experimental setup, data analysis and the key performance will be presented.

研究の動機と目的

• 大面積MCPベース光検出器のスケーラブルでコスト効率の良い製造プロセスの開発。
• 6 cm × 6 cmの検出器でピコ秒レベルの時間分解能と0.8 mm未塔の位置分解能の実現。
• ALDを用いたMCPの機能化がスケーラブルなチューブ処理システムで可能であることを実証。
• 最小限の最適化で十分な性能を示す、パルスレーザー試験施設を用いた検出器性能の検証。
• 量産可能で気密性を有するプロトタイプを用いて、大面積ピコ秒光検出器（LAPPD）プロジェクトの前進。

提案手法

• アーガン国立研究所におけるスケーラブルなMCP製造を目的とした小規模1本チューブ処理システム（SmSTPS）の設計および構築。
• 電子増幅および時間性能の向上を目的として、20 µm孔径MCPに原子層蒸着（ALD）を適用。
• ガラス製ボディとALDコーティングを施したMCPを用いて、気密性を確保した6 cm × 6 cmの光検出器チューブを組立。
• パルスレーザー試験施設を用いて、1枚および複数光電子モードにおける時間分解能および位置分解能の特性評価。
• 検出器信号から時間分解能および位置分解能を抽出するためのデータ解析手法の実装。
• 将来的な大規模検出器アレイへのスケーリングを可能にするモジュラーで低コストの処理システムの採用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コスト効率が良く、スケーラブルな処理システムは、ピコ秒レベルの時間分解能を達成する高性能なMCPベース光検出器を製造可能か？
• RQ2 ALDで機能化された20 µm孔径MCPを用いた場合、1枚および複数光電子モードでの達成可能な時間分解能はどの程度か？
• RQ3 製造された6 cm × 6 cmのMCP検出器で達成可能な位置分解能はどの程度か？
• RQ4 さらなる調整なしに、プロトタイプの性能は最適化された商業用システムと比較してどうか？
• RQ5 気密性の確保とガラス製ボディの構造を、スケーラブルな製造プロセスに効果的に統合できるか？

主な発見

• 最適化なしで、製造された6 cm × 6 cmのMCPベース光検出器は、1枚光電子モードで約57 psの時間分解能を達成した。
• 複数光電子モードでは、時間分解能が約15 psに改善され、優れた信号対雑音比性能を示した。
• 最高の位置分解能として、大きなパルスに対して< 0.8 mmを達成し、0.8 mm未塔の空間分解能を実証した。
• ALDで機能化された20 µm孔径MCPの使用により、高い電子増幅率と高速応答性が実現された。
• プロトタイプは気密性を確保しており、完全に処理が施された状態であり、LAPPDプロジェクトにおいて重要なマイルストーンを達成した。
• SmSTPSアプローチのスケーラビリティおよびコスト効率の妥当性が、本結果により裏付けられた。