[논문 리뷰] A Brief Technical History of the Large-Area Picosecond Photodetector (LAPPD) Collaboration

Bernhard W. Adams, Attenkofer, Klaus외 39명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 06.

Photonic and Optical Devices인용 수 41

한 줄 요약

LAPPD 협력단은 10⁷를 초과하는 이득과 1mm 미만의 공간 해상도를 갖춘 마이크로채널판(MCP)을 사용하여 대면적, 피코초 해상도 광검출기를 개발하였다. 주요 성과로는 50 psec의 시간 해상도, 700 µm의 공간 해상도, 그리고 고정밀 입자 및 광검출에 적합한 저전력 15-GS/s 웨이브폼 샘플링 ASIC을 통한 실현이 있었으며, 뉴트리노 물리학 및 의료 영상과 같은 분야에서의 고정밀 시간 측정을 가능하게 하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고에너지 물리학 및 관련 분야에 적합한 대면적 광검출기의 개발을 목표로 하며, 피코초 수준의 시간 해상도와 1mm 이하의 공간 해상도를 동시에 확보한다.
• 균일한 특성과 고이득을 갖춘 대면적 마이크로채널판(MCP) 기초재료 제조 기술적 과제를 극복한다.
• 맞춤형 저전력 고대역폭 전자기기 및 데이터 수집 시스템을 통해 정밀한 시간 측정과 고다이나믹 레인지 검출을 실현한다.
• 국립 연구소, 대학 및 미국 산업계 간 협업을 통해 기술 개발에서 상용화로의 전환을 추진한다.
• DUSEL 및 ANNIE 뉴트리노 실험과 같은 향후 대규모 실험에 고성능 광검출 기술을 지원한다.

제안 방법

• 특수한 융해-성형 및 뽑기 공정을 사용하여 대면적 고품질 유리 모세관 기초재료를 제작하여 MCP에 활용한다.
• 원자층 증착(ALK) 기법을 적용하여 MCP에 저항성 및 제2차 방출층을 코팅함으로써 이득을 향상시키고 노이즈를 감소시킨다.
• 스퍼터링 공정을 통해 고양자 효율을 갖춘 이중알칼리 광음극을 대면적으로 제작한다.
• 단일 광자 신호의 정밀 타임스탬프를 위해 맞춤형 15-GS/s, 6채널 웨이브폼 샘플링 ASIC를 설계 및 통합한다.
• 현지 트리거, 데이터 흐름 단순화 및 실시간 제어를 위한 FPGA 기반의 이중 수준 모듈식 데이터 수집 시스템을 구현한다.
• 장기적 안정성과 성능을 확보하기 위해 고주파(HF) 대응, 밀폐성 및 UHV 호환성의 세라믹 및 유리 봉제를 개발한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대면적 마이크로채널판 광검출기가 동시에 1mm 이하의 공간 해상도와 피코초 수준의 시간 해상도를 확보할 수 있는가?
• RQ2 대면적 MCP에서 고이득(>10⁷)과 낮은 암전 노이즈(<0.1 카운트/cm²·s)를 확보하기 위한 최적의 재료 및 코팅 기술은 무엇인가?
• RQ3 고대역폭, 저전력, 고다이나믹 레인지 전자기기를 대면적 광검출기와 통합하여 정밀한 시간 도래 측정을 어떻게 실현할 수 있는가?
• RQ4 국립 연구소, 대학 및 산업계 간 복잡한 검출기 기술 개발을 위한 성공적인 협업을 가능하게 하는 조직적·기술적 전략은 무엇인가?
• RQ5 성능과 확장성을 유지하면서 R&D 성과를 상용 생산으로 전환할 수 있는 정도는 어느 정도인가?

주요 결과

• LAPPD 협력단은 단일 광자에 대해 50 psec 미만의 시간 해상도를 확보한 20×20 cm² 광검출기 모듈을 성공적으로 개발하였다.
• 수평 방향 양쪽 축에서 700 µm의 공간 해상도를 확보하여 고정밀 추적 응용 분야의 목표를 충족시켰다.
• 활성 영역 전반에 걸쳐 비균일도가 15% 이하인 10⁷를 초과하는 이득을 확보하였다.
• 맞춤형 15-GS/s, 6채널 웨이브폼 샘플링 ASIC를 개발하고 시스템에 통합하여 고대역폭, 저전력 데이터 수집 기능을 실현하였다.
• 연구개발에서 상용화로의 전환에 성공하였으며, 산업계 및 대학에서 MCP 및 LAPPD 모듈의 후속 개발이 계속되고 있다.
• 국립 연구소, 대학 및 미국 산업계 간의 다기관, 다분야 협력이 고성능 광검출 기술 분야의 혁신을 이끌 수 있음을 입증하였다.