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R & D X * -HPD (*Cristal-scintillateur vu par petit PM) G. Hallewell Centre de Physique des Particules de Marseille Collaborations ANTARES + KM3NeT. Photonis. CERN. Baikal. Du… Pr é sentation de B. Combettes (Photonis) NNN07, Hamamatsu, Japon, Octobre 2007.

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Presentation Transcript

  1. R & D X*-HPD(*Cristal-scintillateur vu par petit PM)G. HallewellCentre de Physique des Particules de MarseilleCollaborations ANTARES + KM3NeT Photonis CERN Baikal G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07

  2. Du… Présentation de B. Combettes (Photonis) NNN07, Hamamatsu, Japon, Octobre 2007 G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07

  3. ANTARES (0.1km2) 2400m 12 m 350 m G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07

  4. Principe de Detection ;n telescope eau/glace ~1g / PMT 40 m du trajet m Cone de lumiere Čerenkov muon interaction neutrino G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07

  5. Neutrino candidate seen by 5 lines G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07

  6. Présentation • Qu’est ce que, le X-HPD ? • Historique du X-HPD ; • Les avantages – pourquoi poursuivre ? • Qui sont les acteurs ? • Statut actuel ; • Développements futurs G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07

  7. Qu’est ce que, le X-HPD? Tout d’abord, le X-HPD n’est pas… G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07

  8. Pas comme le HPD de LHC-b (DEP Photonis) ici… 80mm 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) 120mm 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. G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07

  9. 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) G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07

  10. Historique du X-HPD G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07

  11. Le premier xtal-HPD: Philips SMART :Phosphor P47(YSO:Ce)~30 fabriqués (1980s-1992) Historque X-HPD G. van Aller et al. A "smart" 35cm Diameter Photomultiplier. Helvetia Physica Acta, 59, 1119 ff., 1986. G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07

  12. Baikal Quasar-370 (1983) • Hybride (X-HPD) • -Boule hémisphérique  = 370 mm • -Photocathode K2CsSb • -Preamplification25 kV • Scintillateur • Y2SiO5 (TTS= 2ns FWHM) • PMT traditionnel • K2CsSb 13-étages  = 25 mm scintillator Conventional PMTUGON gprimaire ~ 35, st ~ 2.5 ns / Npe 1 photoélectron au grande photocathode  20…30 photoélectrons au petit PM G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07

  13. 200 tubes en opération depuis 1996 BAIKAL Quasars en opération depuis 1993 : 200 depuis 1998 R. Bagduev et al., Nucl. Instr. Meth. A 420 (1999) 138 G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07

  14. 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) G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07

  15. 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)} ) pressure sphere PMT XP2982 G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07

  16. CERN - Photonis: Toward Development of a large spherical X-HPDhybrid photodetector • Braem +, C. Joram+, J. Séguinot +, L. Pierre *, P. Lavoute * • + CERN, Geneva (CH) * Photonis SAS, Brive (F) G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07

  17. Application: detection des neutrinos par l’effet Cherenkov (faisceau CERN  Gran Sasso  GolfoTaranto) “C2GT” “Mur” très similaire des dispositifs de détection des n dans Kamiokande, “Hyper-Kamiokande” (futur: Japon) & proposition “Mégatonne” (200 – 250 K modules) dans une nouvelle caverne, tunnel de Fréjus … (…) “Mur” de ~600 panneaux mécaniques (10 x 10 m2), chacun avec 49 modules optiques Cherenkov light ne, nm, nt e±, m± 42° Reactions dans H2O Cherenkov light 10 m ~ 50 m “mur” photosensible ~ 250 × 250 m2 G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07

  18. Les avantages des X–HPDs en géométrie sphérique: pourquoi poursuivre? G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07

  19. T ~ 0.4 QE QE Avantages de tube sphérique avec anode au centre géométrique • Champs électrique radial • s TTS négligeable • Efficacité de collection électrostatique ~100% électrostatique sur ~ 3p • filet en mu-métal inutile • Angle solide importante (dW ~ 3p) • Gain en sensibilité par l’effet • ‘Double-passage’ par photocathode A comparer : ~ 70% sue seulement 4p/3 en PM hémisphérique! Nécessaire pour PM hémisphérique X2 par rapport d’un PM hémisphérique G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07

  20. Proto 8 pouces avec anode en forme de cube métallique (1 cm3) ‘Proto 0’ measured at Photonis Fabrication CERN . A. Braem et al., NIM A 570 (2007) 467-474 G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07

  21. Module optique En sphère pression KM3NeT? 380 mm • ± 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 Sphère pression 17”(432 / 404) 15 Cristal Scintillant 432 mm (17”) Si sensor joint Guide lumiere Support En verre ceramic support gel optique (matching ind. ref. + isolation) Small PM HV PA Inox base plate valve electrical feed-throughs G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07

  22. Efficacité Quantique Latt(Sphere) (Lo KBoro): cm Latt(Gel): cm Efficacité:(quantum Å collection)>16%; Composants d’un module optique PM grand fond Gel couplage Optique & index- matching Sphère 17” resistante à 6000m (600 bar) 14 stage Photomultiplier: (10” Hamamatsu R7081-20) Filet en Mu metal Base PM active (Cockroft-Walton) G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07

  23. Les avantages des X–HPDs en géométrie sphérique: pourquoi poursuivre? Incertitudes importantes sur le taux de production des ns avec E > ~1016eV ;Télescopes n de taille ~ km3{comme ICE CUBE (pole Sud),KM3NeT - proposé pour la Mer Méditerranée} assez grands? G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07

  24. Some possible KM3NeT string / sea-floor geometry configurations Cubic, Ring, Hexagonal, Clustered, ICE CUBE-like G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07

  25. ANTARES PM ANTARES 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) G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07

  26. G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07

  27. Photonis XP 1807 Photonis XP 1804 Photonis XP 1805 Photonis XP 1806 G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07

  28. ANTARES PM • 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 G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07

  29. ANTARES PM • 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 G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07

  30. Proto 8 pouces avec anode en forme de cube métallique (1 cm3) ‘Proto 0’ measured at Photonis Fabrication CERN . A. Braem et al., NIM A 570 (2007) 467-474 G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07

  31. ANTARES PM Limite pratique en diamètre pour sphère pression 17” • 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, • puis prix suit (rapport de surface)2 G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07

  32. Photonis a réalisé 2 prototypes de nouveau SMART (8”) - Déposition interne du photocathode - Disque métallique - mesure de photocurrent G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07

  33. Qqs ScintillateursModerns *=hydrophilic G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07

  34. 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 G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07

  35. CERN tube measurements, Aug 2006 SIMION 2D Geometry CERN Pourquoi X-HPDs sphériques avec lecture par PM ? (améliorations des X-HPDs Philips SMART & Baikal quasar 370) • Amélioration (~100% / 3p) en efficacité collection des p.e.’s (& sTT<1ns ) • (c.f. 70% sur ~ 4p/3surface photocathode en PM hémisphérique) • Surface p.c. plus grande d’un PM hémisphérique de la même Øsuppression de cage en m-métal • E.Q. améliorée (transmissive  réflective) ; suivant l’angle polaire • 1Čg  ~30 p.e. au petit PM via scintillateur: sensibilité pour 1g, 2g améliorée + simplicité du petit PM • Volume d’eau plus important peut être instrumenté avec le même nombre de capteurs à photons G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07

  36. TRE Possible Megaton layout for Frejus tunnel G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07

  37. Inside each cavern? Electronic crates f≈70 m Perlite insulation ~200 - 250 000 tubes lining the walls of 3 massive tanks G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07

  38. Current community expectation 8”  10” hemispherical PMTs (or equivalent), unit price ~800 Euros Max. Instrumenting the walls more efficiently with higher performance detectors clearly preferable if this results in a lower price per m2 wall surface Perlite insulation ~200 - 250 000 tubes lining the walls of 3 massive tanks G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07

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