[论文解读] 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 41

一句话总结

LAPPD合作组织利用微通道板（MCPs）开发了大面积、皮秒级时间分辨率的光电探测器，空间分辨率低于1毫米，增益超过10⁷。主要成果包括50皮秒的时间分辨率、700微米的空间分辨率，以及定制的低功耗15-GS/s波形采样ASIC，实现了在中微子物理和医学成像等应用中对粒子和光子探测的高精度时间测量。

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.

研究动机与目标

• 开发能够实现皮秒级时间分辨率和亚毫米级空间分辨率的大面积光电探测器，用于高能物理及相关应用。
• 克服在制造具有均匀特性与高增益的大面积微通道板（MCP）基板方面的技术挑战。
• 通过定制的低功耗、高带宽电子系统与数据采集系统，实现实时精确时间测量与高动态范围探测。
• 通过国家实验室、大学与美国工业界的合作，推动研发成果向商业化转化。
• 为未来大型实验（如DUSEL和ANNIE中微子实验）提供先进的光电探测技术支撑。

提出的方法

• 采用专用熔融铸造与拉制技术，开发用于MCP的大面积高质量玻璃毛细管基板。
• 应用原子层沉积（ALD）技术，在MCP上沉积电阻性层与二次发射层，以提升增益并降低噪声。
• 通过溅射技术制备大面积双碱光电阴极，实现高量子效率。
• 设计并集成一款定制的15-GS/s、6通道波形采样ASIC，用于对单光子信号进行精确时间标记。
• 采用FPGA实现两级模块化数据采集系统，支持本地触发、数据稀疏化与实时控制。
• 开发具备射频能力、气密性及UHV兼容性的陶瓷与玻璃封装，确保长期稳定性和性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 大尺寸微通道板光电探测器能否同时实现亚毫米级空间分辨率与皮秒级时间分辨率？
• RQ2 在大尺寸MCP中，实现增益大于10⁷且暗计数率低于0.1个/厘米²·秒的最优材料与涂层技术为何？
• RQ3 如何将高带宽、低功耗、高动态范围的电子系统与大尺寸光电探测器集成，以实现精确飞行时间测量？
• RQ4 哪些组织与技术策略能够有效促进国家实验室、大学与工业界在复杂探测器研发中的协作？
• RQ5 研发成果在多大程度上可实现向商业化生产的转化，同时保持性能与可扩展性？

主要发现

• LAPPD合作组织成功开发出20×20厘米²的光电探测器模块，对单光子信号的时间分辨率小于50皮秒。
• 在两个横向方向上均实现了700微米的空间分辨率，满足高精度轨迹重建应用的需求。
• 在有效区域内实现了增益大于10⁷，非均匀性低于15%。
• 开发并集成了定制的15-GS/s、6通道波形采样ASIC，实现了高带宽、低功耗的数据采集。
• 项目成功实现从研发到商业化的过渡，后续在工业界与学术界持续推进MCP及LAPPD模块的研发。
• 合作组织证明，由国家实验室、大学与美国工业界组成的多机构、多部门合作模式，能够有效推动先进光电探测器技术的创新。