cern

G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07

CERNPhotonis Baikal

R & D X*-HPD (*Cristal-scintillateur vu par petit PM)

G. HallewellCentre de Physique des Particules de Marseille

Collaborations ANTARES + KM3NeT


Du… Présentation de B. Combettes (Photonis) NNN07, Hamamatsu, Japon, Octobre 2007


ANTARES (0.1km2)

350 m12 m

2400m


neutrino

muon

interaction

Cone de lumiere Čerenkov

Principe de Detection ; telescope eau/glace

~1 / PMT 40 m du trajet


Neutrino candidate seen by 5 lines

http://www.nikhef.nl/Local%20Settings/Temp/a3d_run25929_frame61770.anim2.gif


Présentation

• Qu’est ce que, le X-HPD ?• Historique du X-HPD ;• Les avantages – pourquoi poursuivre ?• Qui sont les acteurs ?• Statut actuel ; • Développements futurs


Qu’est ce que, le X-HPD?

Tout d’abord,

le X-HPD n’est pas…


Pas comme le HPD de LHC-b (DEP Photonis)

ici…80mm

120m

m

Le X-HPD :

est grand, comme un PM hémisphérique ; a une photocathode bi-alkali et fenêtre boro ; n’a pas d’électronique dans le volume vide; est compatible avec processing p.c. interne comme PM ; est insensible au champ B terrestre; (accélération des photoélectrons dans ~25kV)

Sous vide, le X-HPD contient (seulement…) :

la verre, produits chimiques + évaporateurs de la photocathode, cristal scintillant, encapsulé en aluminium, électrodes, pignoches and fils, getters, comme nécessaires.


Qu’est ce que, le X-HPD? Capteur “simple” des simples photons avec p.c. bialkali

Champs accélérateur élevé (~25kV) entre p.c. et cristal scintillant (Tdéc rapide) sous une couche métallique (Al, 100nm) Par préférence une géométrie complètement sphérique, avec scintillateur au centre

Efficacités collect. electrostatique + conv.p.c. améliorés Efficacité globale ~33% (à comparer ~16% PM hémi)


Historique du X-HPD


Le premier xtal-HPD: Philips SMART :

Phosphor P47 (YSO:Ce)~30 fabriqués (1980s-1992)

Historque X-HPDG. van Aller et al. A "smart" 35cm Diameter Photomultiplier. Helvetia Physica Acta, 59, 1119 ff., 1986.


Baikal Quasar-370 (1983)

scintillator

Conventional PMT UGON

Hybride (X-HPD) -Boule hémisphérique = 370 mm-Photocathode K2CsSb-Preamplification 25 kV -Scintillateur Y2SiO5 (TTS= 2ns FWHM)- PMT traditionnel K2CsSb 13-étages = 25 mm

1 photoélectron au grande photocathode 20…30 photoélectrons au petit PM

gprimaire ~ 35, t ~ 2.5 ns / Npe


BAIKALQuasars en opération depuis 1993 :

200 depuis 1998

200 tubes en opération depuis 1996

R. Bagduev et al., Nucl. Instr. Meth. A 420 (1999) 138


Les acteurs: (Derniere reunion @ CPPM le 1 mars, 2007

• Photonis (Christophe Fontaine, Pascal. Lavoute, Leo Pierre)• INFN Genova (Mauro Taiuti)• CERN (Christian Joram, Jacques Seguinot;

collaboration via accord CERN - Photonis)• CPPM (Greg Hallewell, Jose Busto;

collaboration via GIS IN2P3-Photonis)• INR Moscou

(Bayarto Lubsandorshiev {ex Baikal Quasar 370} très intéressé de continuer développement

du concept SMART/Quasar)


PMTXP2982

pressure sphere

SMART et Quasar étaient les premiers tubes X-HPD• Mais scintillateur en forme de disque n’a pas exploité toute sa potentielle…

• Préférable d’utiliser un scintillateur 3-D

en plein centre géométrique d’un enveloppe sphérique

(iso-chronicité + efficacité globale {(# photoélectrons vu)/ (# photons arrivés)} )

Simulation (SIMION 3D). 1/2 scale prototype. electron flight time

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 30 60 90 120

polar angle (degr.)

fligh

t tim

e (n

s)

mean = 6.1 nsTTS = 0.37 ns (RMS)


CERN - Photonis:Toward Development of a large

spherical X-HPD hybrid photodetectorA. Braem +, C. Joram +, J. Séguinot +, L. Pierre *, P. Lavoute *

+ CERN, Geneva (CH) * Photonis SAS, Brive (F)


e, ,

Reactions dans H2O

“mur” photosensible ~ 250 × 250 m2

~ 50 m

e±, ± 42°Che

renko

v ligh

t

Cherenkov light

Application: detection des neutrinos par l’effet Cherenkov (faisceau CERN Gran Sasso GolfoTaranto) “C2GT”

“Mur” de ~600 panneaux mécaniques (10 x 10 m2), chacun avec

49 modules optiques

10 m

“Mur” très similaire des dispositifs de détection des dans Kamiokande, “Hyper-Kamiokande” (futur: Japon)

& proposition “Mégatonne” (200 – 250 K modules)dans une nouvelle caverne, tunnel de Fréjus …

(…)


Les avantages des X–HPDs en géométrie sphérique: pourquoi poursuivre?


Avantages de tube sphérique avec anode au centre géométrique

• Champs électrique radial TTS négligeable Efficacité de collection électrostatique ~100% électrostatique sur ~ 3

filet en mu-métal inutile

Angle solide importante (d ~ 3)

Gain en sensibilité par l’effet ‘Double-passage’ par photocathode

T ~ 0.4 QE

QE

A comparer : ~ 70% sue seulement 4/3 en PM hémisphérique!

Nécessaire pour PM hémisphérique

X2 par rapport d’un PM hémisphérique


Proto 8 pouces avec anode en forme de cube métallique (1 cm3)‘Proto 0’

0

10

20

30

40

50

60

300 350 400 450 500 550 600l (nm)

QE

(%)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

ratio

QE top QE side

Fabrication CERN .0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

-180 -135 -90 -45 0 45 90 135 180f, q (degrees)

rel.

sens

itivi

ty

f

q

measured at Photonis

A. Braem et al., NIM A 570 (2007) 467-474


432 mm

(17”)380 mm

PAHV

electrical feed-throughsvalve

Inox base plate

Module optiqueEn sphère pression

KM3NeT?

15

joint Si sensor

ceramic support

CristalScintillant

SupportEn verre

Smal

l PM

Guidelumiere

gel optique(matching ind. ref.

+ isolation)

Sphère pression17”(432 / 404)

• ± 120° acceptance• Sensible aux simple photons• résolution temporelle 1-2 ns FWHM • E.Q. optimisé 300 < l < 600 nm• dark counts <0.1 per 100 ns • Pas de résolution en position


14 stage Photomultiplier:(10” Hamamatsu R7081-20)

Base PM active (Cockroft-Walton)

Composants d’un module optique PM grand fond Gel couplage

Optique & index- matching

Filet en Mu metal

Efficacité Quantique

Latt(Sphere) (Lo KBoro):

cm

Latt(Gel): cm

Efficacité:(quantum collection)>16%;

Sphère 17” resistante à 6000m (600 bar)


Les avantages des X–HPDs en géométrie sphérique: pourquoi poursuivre?

Incertitudes importantes sur le taux de production des s avec E > ~1016eV ;

Télescopes de taille ~ km3

{comme ICE CUBE (pole Sud),KM3NeT - proposé pour la Mer Méditerranée}

assez grands?


Some possible KM3NeT string / sea-floor geometry configurations

Cubic, Ring,Hexagonal,Clustered,ICE CUBE-like


Comparison of No. 20cm X-HPDs per km^3 vs X-HPD overall efficiency (+/- 120 deg polar angle) Compared to Hamamatsu R7081-20 with max polar angle +/- 55 deg & 20% overall efficiency

0.00

1000.00

2000.00

3000.00

4000.00

5000.00

6000.00

7000.00

8000.00

9000.00

10000.00

0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00 45.00

X-HPD Overall efficiency (QE+ Electrostatic)

No. X

-HPD

s pe

r km̂

3

X-HPD per km 3̂

R7081-20 per km 3̂

Assomptions: Longueur d’atténuation en eau de mer 35m

Trajectoire de muon écarté ~ 40m des PMs (moyenne) ~ 350 photons Cherenkov produits par cm (300<l<600nm)

ANTARESANTARES PM


PhotonisXP 1807

PhotonisXP 1806

PhotonisXP 1805

PhotonisXP 1804


Comparison of X-HPD Optical Module Cost (inc. sphere, mechanics, electronics) per km^3 vs X-HPD overall efficiency

(assumed 22cm photocathode +/-120 deg polar angle: costed at 150% * 10" Hamamatsu R7081-20)

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

35.00

0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00 45.00

X-HPD Overall Efficiency (Q.E. + Electrostatic)

Opt

ical

Mod

ule

cost

per

km

^3 (M

Eur

os)

R-7081 cost /km^3

10inch x-HPD cost /km 3̂

Assomptions: Prix du PM Hamamatsu 7081-20 : 995€

Sphère +mécanique + électronique = 2000 € /module optique Prix du X-HPD 20cm = 1.5* PM Hamamatsu 7081-20

ANTARES PM


Comparison volume instrumentable for 20MEuros with X-HPD Optical Module Cost (inc. sphere, mechanics, electronics) vs X-HPD overall efficiency

(assumed 22cm photocathode, +/- 120 deg polar angle costed at 150% * 10" Hamamatsu R7081-20)

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

8.00

9.00

10.00

0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00 45.00

X-HPD Overall Efficiency (Q.E. + Electrostatic)

Inst

rum

enta

ble

volu

me

for 2

0MEu

ros Vol./20MEuros with R7081

Vol./20MEuros with X-HPD

ANTARES PM


Sphère +mécanique + électronique = 2000 € /module optique Prix du X-HPD 20cm = 1.5* PM Hamamatsu 7081-20


Proto 8 pouces avec anode en forme de cube métallique (1 cm3)‘Proto 0’

0

10

20

30

40

50

60

300 350 400 450 500 550 600l (nm)

QE

(%)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

ratio

QE top QE side

Fabrication CERN .0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

-180 -135 -90 -45 0 45 90 135 180f, q (degrees)

rel.

sens

itivi

ty

f

q

measured at Photonis

A. Braem et al., NIM A 570 (2007) 467-474


Comparison volume instrumentable for 20MEuros vs X-HPD photocathode diameter (assumed 33% overall effiency, +/- 120 deg polar angle

22 cm costed at 150% * 10" Hamamatsu R7081-20, threafter cost scaled as r^2)

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00

X-HPD Diameter (cm)

Inst

rum

enta

ble

volu

me

for 2

0MEu

ros

Vol./20MEuros with R7081

Vol./20MEuros with X-HPD


Sphère +mécanique + électronique = 2000 € /module optique Prix du X-HPD 20cm = 1.5* PM Hamamatsu 7081-20, puis prix suit (rapport de surface)2

ANTARES PM

Limite pratiqueen diamètre pour sphère pression

17”


Photonis a réalisé 2 prototypes de nouveau SMART (8”)- Déposition interne du photocathode - Disque métallique - mesure de photocurrent


Qqs Scintillateurs Moderns

Scintillateur lmax [nm] τ [ns] ρ [g/cm3]Sortie

lumière [ph/MeV]

Résolution en énergie @ 662 keV

LSO:Ce 420 40 7.4 30000 9%

GSO:Ce 420 60 6.71 10000 8%

LuAP:Ce 350 17 8.34 12000 6.5%

YAP:Ce 350 25 5.35 24000 4.3%

LaCl3:Ce* 335 25 3.86 49000 4%

LaBr3:Ce* 360 18 5.29 65000 3%

YSO:Ce 460 30-50 4.45 ~10000

*=hydrophilic


Developpement des prototypes Photonis/CPPMsous GIS IN2P3 / Photonis

•

Dates jalons:•

Step 1 : fabrication et test de tube proto 8" avec anode métallique (5 pcs) (validation du procès de déposition interne de la photocathode , mesures E.Q.,

trajectoires des p.e.’s et sensibilité en angle solide) MID '08

• Step 2 : fabrication et test de X-HPD proto 8" tube avec anode cristal (3 versions) validation et testing Photonis + CPPM

FIN '08

• Step 3 : fabrication et test de X-HPD proto 15" avec anode cristal anode (5 pcs) validation et testing Photonis + CPPM

FIN '09

3. Etudient au CPPM :- Etudient M2 (ou engineering school student) from feb Juin 2008- These (co-finance Photonis/IN2P3) pour un bon candidat


Pourquoi X-HPDs Pourquoi X-HPDs sphériquessphériques avec lecture par PM ? avec lecture par PM ?(améliorations des X-HPDs Philips SMART & Baikal quasar 370)(améliorations des X-HPDs Philips SMART & Baikal quasar 370)

Amélioration Amélioration (~100% / 3(~100% / 3)) en efficacité collection des p.e.’s en efficacité collection des p.e.’s (& (& TT<1ns )TT<1ns )(c.f. 70% sur ~ 4(c.f. 70% sur ~ 4 surface photocathode en PM hémisphérique)surface photocathode en PM hémisphérique)

Surface p.c. plus grande d’un Surface p.c. plus grande d’un PM hémisphérique de la même PM hémisphérique de la même ØØ

suppression de cage en suppression de cage en métalmétal

SIMION 2DGeometry CERN

E.Q. améliorée (transmissive E.Q. améliorée (transmissive réflective) ; suivant l’angle polaireréflective) ; suivant l’angle polaire

CERN tube measurements, Aug 2006

11ČČ ~30 p.e. au petit PM via ~30 p.e. au petit PM via scintillateur: sensibilité pour 1scintillateur: sensibilité pour 1, 2, 2 améliorée + simplicité du petit PMaméliorée + simplicité du petit PM

Volume d’eau plus important peut être Volume d’eau plus important peut être instrumenté avec le même nombre de capteurs instrumenté avec le même nombre de capteurs àà photons photons


TRE

Possible Megaton layout for Frejus tunnel


Perlite insulation

f≈70 m

Electronic crates

~200 - 250 000 tubes lining the walls of 3 massive tanks

Inside each cavern?Inside each cavern?


Perlite insulation

~200 - 250 000 tubes lining the walls of 3 massive tanks

Current community expectationCurrent community expectation

8” 8” 10” hemispherical PMTs 10” hemispherical PMTs (or equivalent), unit price ~800 Euros Max.(or equivalent), unit price ~800 Euros Max.

Instrumenting the walls more efficiently withInstrumenting the walls more efficiently withhigher performance detectors clearly preferable if higher performance detectors clearly preferable if

this results in a lower price per mthis results in a lower price per m22 wall surface wall surface

cern

Documents