G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07

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

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

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

4 Cone de lumiere Čerenkov
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
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6 G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07
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 Tout d’abord, le X-HPD n’est pas…
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…
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

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

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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 G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07
Baikal Quasar-370 (1983) Hybride (X-HPD) -Boule hémisphérique  = 370 mm -Photocathode K2CsSb -Preamplification 25 kV Scintillateur Y2SiO5 (TTS= 2ns FWHM) PMT traditionnel K2CsSb 13-étages  = 25 mm scintillator Conventional PMT UGON 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 Quasars en opération depuis 1993 :
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 G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07
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

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SMART et Quasar étaient les premiers tubes X-HPD Mais scintillateur en forme de disque n’a pas exploité toute la potentielle… Préférable d’utiliser un scintillateur 3-D (ou couche de phosphor sur support 3-D en verre)… Besoins Haute rendement de lumière  “high gain” Tdec court  TTS réduit Low Z préférable  coefficient «back scattering» réduite Emission l = 400 nm LY (g / keV t (ns) Zeff eBS lemission (nm) YAP:Ce 18 27 32 ~0.35 370 LYSO:Ce 25 ~40 64 ~0.45 420 LaBr3:Ce 63 30 47 ~0.4 360 LaBr3 hygroscopique Surface haute + cotes du cristal ont besoin d’une couche opaque, conductrice et réflective (définition de potentiel électrique, suppression de “feedback” lumière  p.c.) Problème: indice de réfraction des cristaux (~1.8)  pertes de lumière par réflexion interne G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07

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

18 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

19 Les avantages des X–HPDs en géométrie sphérique: pourquoi poursuivre?
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20 X2 par rapport d’un PM hémisphérique
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 T ~ 0.4 X2 par rapport d’un PM hémisphérique QE QE G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07

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

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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 Si sensor 432 mm (17”) 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

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

24 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

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

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Assumptions ~350 Ch photons per cm ( nm) Attenuation length 35m (combined) Photon flight 40m/sintheta C (thetaC 43deg) =56m Cost per ANTARES OM tube 995E, elec 600E, mechanics 660, sphere 600 Cost per X-HPD OM 1.5* cost of ANTARES tube of same diameter +elec 600E + sphere 600E + mechanics 660E,therafter scaled as ratio of areas for different diameters G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07

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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

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

30 G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07
ANTARES PM Assomptions: Prix du PM Hamamatsu : 995€ Sphère +mécanique + électronique = 2000 € /module optique Prix du X-HPD 20cm = 1.5* PM Hamamatsu G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07

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ANTARES PM Assomptions: Prix du PM Hamamatsu : 995€ Sphère +mécanique + électronique = 2000 € /module optique Prix du X-HPD 20cm = 1.5* PM Hamamatsu G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07

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

33 G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07
ANTARES PM Limite pratique en diamètre pour sphère pression 17” Assomptions: Prix du PM Hamamatsu : 995€ Sphère +mécanique + électronique = 2000 € /module optique Prix du X-HPD 20cm = 1.5* PM Hamamatsu , puis prix suit (rapport de surface)2 G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07

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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

35 Qqs Scintillateurs Moderns
max [nm] τ [ns] ρ [g/cm3] Sortie lumière [ph/MeV] Résolution en 662 keV LSO:Ce 420 40 7.4 30000 9% GSO:Ce 60 6.71 10000 8% LuAP:Ce 350 17 8.34 12000 6.5% YAP:Ce 25 5.35 24000 4.3% LaCl3:Ce* 335 3.86 49000 4% LaBr3:Ce* 360 18 5.29 65000 3% YSO:Ce 460 30-50 4.45 ~10000 *=hydrophilic G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07

36 Developpement des prototypes Photonis/CPPM sous 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  These (co-finance Photonis/IN2P3) pour un bon candidat G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07

37 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/3 surface photocathode en PM hémisphérique) Surface p.c. plus grande d’un PM hémisphérique de la même Ø suppression de cage en m-métal CERN tube measurements, Aug 2006 SIMION 2D Geometry CERN 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

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

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

40 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 ~ tubes lining the walls of 3 massive tanks G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07

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Back up G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07

42 SUPER-KAMIOKANDE Kamioka mine in Japan
<Purpose> Neutrino Astronomy Neutrino Oscillation Proton Decay 42 m 20 inch PMT (11,200 pcs) This is a sketch of SUPER-KAMIOKANDE experiment at KAMIOKA mine in Japan. The size of water tank is 40 m in diameter and 42 m in height. 11,200 pcs of 20 inch PMT are set inside the tank. 2,000 pcs of 8 inch PMT are also used for anti-counter. The purpose of this experiment are Neutrino Astronomy, Neutrino Oscillation and Proton Decay. As you know, it found Neutrino Oscillation with atmospheric neutrino in K2K experiment is going. Neutrino beam from KEK to Kamioka is used. ν e- => e- 40 m Atmospheric neutrino Muon neutrino => Tau neutrino G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07

43 G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07
SUPER-KAMIOKANDE Kamioka mine in Japan Cavern with tonnes water lined with ~ ” PMTs Detection of cosmic neutrinos + solution to solar neutrino ‘puzzle’ (neutrino oscillations): PRESTIGE PHYSICS Nobel Prize  Japanese government funded replacement of ~ 5000 imploded PMTs Boat This is a picture inside of the SUPER KAMIOKANDE. Some stuff are checking PMTs on a boat. G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07

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R (20 inch) This is 20 inch PMT, R It’s the largest PMT in the world. G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07

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R7250 (20 inch) New electrode for fast timing. Effective area is 17 inch. The last one is new 20 inch PMT, R7250. It has new electrode, Box and Grid dynode, for fast timing. Effective area is limited as 17 inch. G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07

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Hyper-Kamiokande Concept (Target distant from accelerator neutrino beam) ～1 Mton water Cherenkov detector at Kamioka ” PMTs or equivalent (2 PMTs / m2) !! G. Hallewell ~ GDR Neutrino, Bordeaux 10/07