[논문 리뷰] Development and testing of cost-effective, 6 cm x 6 cm MCP-based photodetectors for fast timing applications

Jingbo Wang, K. Byrum외 9명|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 26.

Advanced Optical Sensing Technologies참고 문헌 17인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 빠른 타이밍 응용을 위한 원자층 증착(ALD) 기능화된 마이크로채널 플레이트(MCP)를 사용한 저비용, 6 cm × 6 cm 크기의 마이크로채널 플레이트 기반 광검출기의 개발 및 시험을 제시한다. 프로토타입은 단일 광전자 모드에서 60 ps 이내의 시간 해상도와 0.8 mm 이내의 위치 해상도를 달성하여, 소규모 단일 튜브 처리 시스템(SmSTPS)을 통해 저비용 및 확장 가능한 제조가 가능한 높은 성능을 입증하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 대면적 MCP 기반 광검출기의 확장 가능하고 비용 효율적인 제조 공정 개발
• 6 cm × 6 cm 검출기에서 피코초 수준의 시간 해상도와 밀리미터 이하의 위치 해상도 달성
• 확장 가능한 튜브 처리 시스템에서 ALD를 활용한 MCP 기능화의 가능성 입증
• 최적화를 최소화한 펄스 레이저 시험 시설을 통해 검출기 성능 검증
• 제조 가능하고 기밀성 있는 프로토타입을 통해 대면적 피코초 광검출기(LAPPD) 프로젝트 진전

제안 방법

• 확장 가능한 MCP 제조를 위한 아르곤 국립연구소에서의 소규모 단일 튜브 처리 시스템(SmSTPS) 설계 및 구축
• 전자 증폭 및 타이밍 성능 향상을 위해 20 µm 구멍을 가진 MCP에 원자층 증착(ALD) 적용
• 유리 기초와 ALD 코팅된 MCP를 사용한 기밀성 있는 6 cm × 6 cm 광검출기 튜브 조립
• 단일 및 다중 광전자 모드에서 시간 및 위치 해상도를 특성화하기 위해 펄스 레이저 시험 시설 활용
• 검출기 신호에서 시간 해상도 및 위치 해상도를 추출하기 위한 데이터 분석 기법 구현
• 향후 더 큰 검출기 어레이로의 확장을 가능하게 하는 모듈식이고 저비용의 처리 시스템 도입

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비용 효율적이고 확장 가능한 처리 시스템이 피코초 수준의 시간 해상도를 갖춘 고성능 MCP 기반 광검출기를 생산할 수 있는가?
• RQ2 ALD 기능화된 20 µm 구멍을 가진 MCP를 사용할 경우 단일 및 다중 광전자 모드에서 달성 가능한 시간 해상도는 얼마인가?
• RQ3 제작된 6 cm × 6 cm MCP 검출기에서 달성 가능한 위치 해상도는 어느 정도인가?
• RQ4 추가 조정 없이 프로토타입의 성능을 최적화된 상용 시스템과 비교할 경우 어떻게 되는가?
• RQ5 기밀성 봉인 및 유리 기초 구조가 확장 가능한 제조 공정에 성공적으로 통합될 수 있는가?

주요 결과

• 최적화 없이도 제작된 6 cm × 6 cm MCP 기반 광검출기의 단일 광전자 모드에서 시간 해상도는 약 57 ps를 달성하였다.
• 다중 광전자 모드에서는 시간 해상도가 ~15 ps로 향상되어 뛰어난 신호 대 잡음 성능을 보였다.
• 최고의 위치 해상도는 큰 펄스에서 < 0.8 mm를 달성하여 밀리미터 이하의 공간 해상도를 입증하였다.
• ALD 기능화된 20 µm 구멍을 가진 MCP의 사용은 높은 전자 이득과 빠른 타이밍 반응을 가능하게 하였다.
• 프로토타입는 기밀성 봉인 처리가 완료되었으며, LAPPD 프로젝트에 있어 중요한 성과를 이루었다.
• 결과는 SmSTPS 접근법이 대면적 광검출기 제조에 있어 확장성과 비용 효율성 모두를 입증하였다.