CDF実験プラグ部電磁カロリメータ用
光電子増倍管の長期安定性の研究
筑波大学数理物質科学研究科 橋本就吾
受川史彦、金信弘、武内勇司、深見智代
フレーバー物理研究会(2010.2.24)
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contents
・CDF 実験、PEMカロリメータ
・長期安定性測定の目的
・Setup
・測定結果
・まとめ及び今後の予定
フレーバー物理研究会(2010.2.24)
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CDF実験
アメリカ・シカゴ近郊のフェルミ国立加速
器研究所の加速器TEVATRONで行われ
ている高エネルギー素粒子実験。
• 陽子・反陽子衝突
粒子検出器・CDF検出器を用い、トップ
• 重心系エネルギー 1.96TeV
クォークの精密測定、B粒子の物理な
• 瞬間最高ルミノシティ 3.5x1032cm2s-1 ど様々な研究を行っている。
• 衝突断面積 50mb
• 積分ルミノシティ 6.5fb-1
CDF検出器の全体図
CDF検出器の断面図
PEM
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プラグ部電磁(PEM)カロリメータ
プラグ部に設置された電磁カロリメータ
光子や電子などのエネルギーを測定
Clear fiber
PMT
Wave length
shifter fiber
WLSF発光波長:
~500nm (緑色)
22 layers
22層のシンチレータからの信号は
1本の光電子増倍管に入力
PEMはf方向に24のウェッジに分割
ウェッジは20のタワーに分割
4.5mm厚の鉛タイル
4mm厚のシンチレータタイル
22層
浜松ホトニクス社製R4125G
•
•
•
•
光電面 : バイアルカリ
ダイノード : ラインフォーカス型10段
増幅率 : ~3x105(at HV:1000V)
最大陽極電流: 100 mA
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光電子増倍管の長期安定性測定の目的
Run II environment of PMTs located in PEM
最も典型的な衝突でPEMに入射するp0→γγがPMTに及ぼす条件を考える
平均入射光電子(103)
入射頻度(MHz)
陽極電流(µA)
η=3.00 to 3.49
~3
0.25
3
η=1.10 to 1.20
~0.3
0.025
0.03
( Gain=2.5 x 104 , Luminosity 1032cm-2s-1で計算)
・R4125G光電子増倍管はタワーによって使用条件が大きく異なる。
・様々な使用条件での長期的な出力の変動を調べることが必要。
目的
・長期的な使用で光電子増倍管の出力がどのように変動するかを調べる。
・入射光電子数、増幅率、陽極電流に関してどの使用条件が変動に影響を与
えやすいか、また出力の変動の再現性等を測定する。
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測定のSetup
11PMTs
R
①
④ ①
X X
X ④
R X③
X
②②③
R
・光源:緑色LED (500nm)
・最大16本の光電子増倍管を固定できる箱
・光量の調節:N.D.フィルター
・LEDの安定性:
H7195、H1161GSによりモニター
・温度・湿度:恒温槽により20℃, 60%に保つ
・DATAの取得はVMEバスを用いた。
・10Hz→0.25MHzのサイクルで出力安定性を測定する。
(500nm)
・各条件2本ずつ計8本のR4125Gを設置。
・光量モニター用のH7195,H1161GSは計3本。
(VME)
FPGAで作成
・10回に1回、ゲートのタイミングをずらすことで、
ペデスタルの測定を行っている。
#PE’s/pulse
GAIN
(104)
Anode current
(μA)
①典型的なCDF実験の状況
~500
~ 2.5
0.5
②光量5倍
~ 2500
~ 2.5
2.5
③光量5倍 Gain1/5倍
~ 2500
~ 0.5
0.5
④光量1/5倍 Gain 5倍
~ 100
~ 12.5
0.5
Conditions
Setup
測定に用いたPMT
枠に設置したPMT
PEM用
光量モニター用
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LED発光強度のモニター
モニター用の光電子増倍管には平均入射光電子数 μ=<Npe> ~0.3程度に設定した。
入射光電子数が0個の時の確率を測定し、その確率から入射光電子数の平均値を
計算し、光量のモニターを行った。
Pm (0)  e m
測定結果から入射光電子
数が0個のときのイベント数
N0とNtotalをカウントし、P(0)
を求める。
N
Pm (0)  0
N total
Zero-photoelectron Peak
threshold
# of events
平均入射光電子数がμの時
に光電子が入射しない確率
Single Photoelectron Peak
Npe=0.32
平均入射光電子数 μは
 N 
m   ln 0 
 N total 
より求まる。
N0
Ntotal
Output charge
[ADC counts]
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入射光電子数
LEDの安定性
+15%
10Hz
+10%
+5%
±0%
-5%
0.25MHz
-10%
-15%
Time [Hours]
・長期測定は入射信号の頻度を高頻度(0.25MHz)と低頻度(10Hz)
で変えながら行った。
・高頻度にすると、光が~5%増加した。
・光量は1%以内で安定している。
・他の2本も同様の変動をした。
・この結果をもとにR4125Gへの入射光量を補正した。
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R4125G出力電荷変動結果(condition①)
10Hz
典型的な
CDF実験の状況
+20%
+10%
±0%
-10%
0.25MHz
-20%
+20%
+10%
±0%
-10%
-20%
10
R4125G出力電荷変動結果(condition②)
10Hz
光量5倍
5%程度の上昇
+20%
+10%
±0%
-10%
0.25MHz
-20%
+20%
+10%
±0%
-10%
-20%
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R4125G出力電荷変動結果(condition③)
10Hz
光量5倍 , Gain 1/5倍
+20%
+10%
±0%
-10%
0.25MHz
-20%
+20%
+10%
±0%
-10%
-20%
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R4125G出力電荷変動結果(condition④)
+20%
10Hz
光量1/5倍 , Gain 5倍
+10%
±0%
-10%
0.25MHz
-20%
+20%
+10%
±0%
-10%
-20%
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増幅率変動の原因
1.陽極電流の増加
→陽極電流の増加によって最終段付近の電圧が降下。
最終段以前の電圧が上昇することで増幅率が増加する。
→光量5倍測定ではこの効果が考えられる(次ページで計算)。
2.ダイノード台座の帯電
→ダイノードを固定している台座が帯電することで電子の軌道が変化し、
増幅率が変動する。
→ダイノードは陽極に近くなるにつれて早く帯電する。
→複数の時定数を持つ変動だと考えられる。
3.ダイノードに付着した残留ガス
→長期保存中にダイノードに付着した残留ガスが、高頻度の電子の入射によって
叩き出される。そのガスが真空度を下げ、増幅率を減少させる。
4.空間電荷の飽和
→瞬間的な増幅率の減少が起こると考えられる。
本測定結果のような変動の原因とは考えにくい。
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陽極電流増加によるゲイン変動
光量を5倍にしたPMTについて
陽極電流の増加によって最終段の電圧が降下。
それにより最終段以前の電圧が上昇しゲインが増加したと考えられる。
その効果を計算した。
10Hz
光量5倍
+20%
+10%
±0%
-10%
-20%
陽極電流の増加による最終ダイノードと陽極間の電圧降下を抵抗の比に分割して、
変動後の増幅率を算出した。
<結果>
同条件のPMT2本においてそれぞれ、3.05%、2.76%であった。
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まとめ及び今後の予定
・PEMカロリメータに用いるR4125G型光電子増倍管の出力変動を
4つの条件で1421時間にわたって測定した。
・CDF実験の典型的使用条件において
・高頻度にすると、出力電荷は最大20%減少した。
・入射光電子数、増幅率を変えた条件において
・初期の減少(~50h)の後は条件によって、出力電荷が増加する
ものと減少するものが見られた。減少は5-15%程度であった。
・陽極電流が大きい条件では、高頻度に変えた所で5%程度の
出力電荷の増加がみられた。
・低頻度(10Hz)→ 高頻度(0.25MHz) のサイクルを繰り返し、
出力変動が可逆的なものかを測定する。
・データを蓄積し、出力変動の原因解明、定量的評価を行う。
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BACKUP
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PEM
endplug EM calorimeter.
24 wedges in f, and each
wedge is divided to 24 towers.
Each towers has 22 layers.
The light signal from the PEM scintillator
tile is delivered by Y-11 wave length
shifter fiber.The figure above is Emission
Spectra and Absoption Spectra of Y-11.
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The model figure of
R4125G PMT.
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FPGA
FPGA(Field Programmable Gate Array):現場で書き換え可能なLSI
・論理回路を記述する専用の言語(HDL)
・ソフトウェアのようにダウンロードして使用する。
・製品出荷後でも再設計が可能なため、製品のアップデートや新たなプロトコル規格
への対応もスムーズに行うことができる。
・ FPGAの柔軟性に加え、FPGAの高集積化、高性能化、低消費電力化、低コスト化
が進み、FPGAがASICやASSPと同程度の機能を持つようになったため、さまざまな
電子機器で使用されている。
・FPGA作成の手順
デザインのアイデア
開発ソフトウェア
FPGAデバイス
HDL記述
FGPAにアップロード
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Oscilloscope
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Setup 11ヵ所の光量とGAINの調節
・R4125Gに対して各条件での光量に設定するために、
増幅率Gの分かっているR4125Gを用いて16箇所の光量を測定した。
・LEDに印加する電圧、フィルターを調節することにより各条件の光量に設定した。
・その後残りのR4125Gをセットし、出力電荷を測定した。
入射光電子数が分かっているので増幅率が求められる。
印加電圧を調節することで増幅率を設定した。
各PMTの入射光電子数と増幅率の調節を行った。
<調節した光量 >
REF
④
①
107
515 ~0.4
REF
~0.4
①
505
②
2974
④
110
REF
~0.4
②
2926
③
2118
③
2829
<調節したGAIN (104) >
④
①
12.0
2.3
①
2.4
②
2.2
④
11.8
②
2.1
③
0.6
③
0.4
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GAIN
光電子増倍管からの出力電荷の平均値とその分散の相関から増幅率を求める方法。
σ2
増幅率の揺らぎがないと仮定した時
出力電荷の平均値(mean)=Gain×Np.e.×素電荷
→σ2=Gain×Mean
出力電荷の標準偏差(σ)=Gain× Np.e.
×素電荷
→傾きが増幅率に相当
Mean
実際には増幅率の揺らぎ考慮し、上記の増幅率を補正した。
増幅率のゆらぎに対する補正項:δser
(δser はs.p.p.分布のσ/peakから求めた。)
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GAIN
LEDの安定性
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LEDの安定性
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25
Projection 25ave
0.45%
1.0%
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Projection 25ave
0.5%
0.6%
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Projection 25ave
1.0%
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0.3%
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Reference PMT1 Npe & GAIN stability
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Reference PMT2 Npe & GAIN stability
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Reference PMT3 Npe & GAIN stability
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Pulse height distribution of reference PMTs
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Pulse height distribution of PEM PMTs
①
②
④
③
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陽極電流増加によるゲイン変動
光量を5倍にしたPMTについて
陽極電流の増加によって最終段の電圧が降下。
それによって最終段以前の電圧が上昇→ゲイン増加が考えられる。
それ効果がどの程度か計算した。
←グラフからはレート変化直後に
瞬間的に約5%増加していることが確認できる。
(この5%の増加が陽極電流の増加によるものかを確認する)
R4125Gの合計抵抗:5.72MΩ
cx4717,cx4450(←光量5倍、Ia=2.5μA)のHV:770V、850V
Ib=135μA,149μA
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Ia/Ib=1/54,1/60 (浜ホト推奨:<1/20)
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陽極電流増加によるゲイン変動
陽極電流の増加による
最終アノード-陽極間の電圧降下:2.7V
2.7Vを抵抗の比に分割して、変動後の増幅率を算出した。
結果
同条件のPMT2本においてそれぞれ、
3.05%、2.76%であった。
→9-10段目のアノード間の電圧降下を考えると
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ppt - 筑波大学素粒子実験室