CDF実験TOF測定器に用いられる
光電子増倍管の長期耐久性の研究
深見智代
2010年2月24日
目次
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•
CDF実験とTOF測定器
光電子増倍管
長期測定1:出力電荷の測定
長期測定2:時間分解能の測定
まとめ
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Collider Detector at Fermilab
p
CDF実験は米国シカゴ郊外にあるフェルミ国立加速器研究所で
行われている高エネルギー素粒子実験のひとつ
p
D0
CDF
2km
陽子( p )と反陽子( p )を
高エネルギーに加速する。
衝突点に検出器
を置く。
重心系エネルギー1.96TeV
質量起源の解明などが目標
2001年に増強が完了し、現在RunⅡ実験が行われている。
電磁カロリ
メータ
TOF測定器
ミューオン
チェンバー
衝突点
反陽子
陽子
ソレノイド
中央飛跡
ハドロン
電磁石
検出器
カロリメータ
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約1000 p.e.
シリコン
飛跡検出器
典型的な瞬間ルミノシティ:
L  110 cm2 s 1
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⇒入射する粒子の頻度は0.2MHz
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CDF - TOF用光電子増倍管
TOF測定器はソレノイドの内側に
設置されているため、1.4Tの高磁
場中にある。
ファインメッシュ型光電子増倍管
(浜松ホトニクスR7761)
ダイノードの面積が広く、間隔が狭
いため、磁場の影響を受けにくい。
B
(R7761)
(模式図)
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TOF 測定器では主に低エネ

ルギーの  と K の識別を行っ
ており(1.6GeV以下の粒子を
2σで識別)、時間分解能の要
求値は100ps 以下。
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長期試験1:出力電荷の変動
• 実験の目的
– CDF環境下ではTOF用
光電子増倍管の平均陽
極電流は8μA
浜松ホトニクス社の仕様である最大陽
極電流10μAに近い
CDF実験で正確に測定を行うには
光電子増倍管の長期的な特性を知
る必要がある
• CDF環境下で出力の変動は起こるか
• ダメージを与える箇所の違いや、より過酷な
環境で変動の仕方に違いはあるか?
⇒ 測定結果の解析より光電子増倍管の参
考データを得る
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入射頻度
入射光量
光電子103相当
増倍率
105
0.5MHz
CDF環境
入射光量
増倍率
CDF実験と同等
10倍
1/10倍
1/10倍
2倍
2倍
10倍
1倍
2倍
光電子増
倍管
各条件
2本ずつ
今回の条件
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出力電荷の変動:セットアップ
•光源
-発光波長470nmのLEDを使用
LEDドライバでパルス発光させた
•光電子増倍管
- TOF用×10本
- レファレンス用×4本を用意
- TOF用光電子増倍管への入
射光量は5種類の条件に設定
- レファレンス用光電子増倍管
への入射光量は平均入射光電
指数0.5pe程度とした
• 1時間に1回測定
10回に1度ペデ
スタルを測定
• 高頻度(0.2MHz,0.5MHz)と低頻
度(10Hz)を繰り返し照射
• 約20000時間(2年半)測定。
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出力電荷の変動:光量モニターの方法
入射光電子数をフィルターを用いることで
平均 0.5個程度の光電子が入射するよう設定
Gain
光電子数が 0 個
光電子数が 1 個
LED発光のタイミ
ング
縦
軸
イ
ベ
ン
ト
数
光電子数 0
個の確率は
Gainによら
ず一定
平均入射光電子
数はGainの変動
の影響を受けない
光電子数はポアソン分布に 従
うので、平均光電子数がμで あ
るとき、観測光電子数が 0 個であ
る確率 f( 0 ) は
f (0)  e  
Threshold
 N0 

N
 total 
   ln 
LED非発光のタイ
ミング
Ntotal:全体のイベント数
N0:光電子数 0 個のイベント数
横軸 波高(ADCカウント)
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また、0pe ピークと1pe ピークの差
から Gain もモニターできる。
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出力電荷の変動 :光量モニターの結果
• 光量モニター用光電子増
倍管の設置位置
– 光電子増倍管(4×4ヶ所)
をLED高原から見た図
– 青:光量モニター用光電子
増倍管
•光量モニターの結果の例
•LED光源のゆらぎは
2%以内
高頻度照射:0.2MHz, 0.5MHz
低頻度照射:10Hz
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•高頻度照射において
も大きな変動は無
かった
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出力変動:測定結果1-長期測定
• 高頻度照射時に出力減
少、低頻度照射時に出力
回復が見られた。
(ペデスタルの信号)
高頻度照射
低頻度照射
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出力変動:測定結果2 - 10本分の結果
• 照射頻度切り替えから300時間後の出力を比較⇒出力低下・回復の程度
高頻度照射時
10Hz
300 h
0.2MHz
10Hz
300 h
低頻度照射時
10Hz
10Hz
0.2MHz
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出力電荷測定のまとめ
• CDFの条件を実験室に再現し、高頻度照射
と低頻度照射を7回交互に繰り返し、20000
時間あまり測定した。
• 高頻度照射では出力電荷の減少、低頻度照
射では回復が見られた。
• 入射光量や増倍率の違いによって出力の変
動に違いは見られなかった。
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長期試験2:時間分解能
• 実験の目的
– TOF用光電子増倍管は高頻度照射時に出力が低下す
ることがわかった。
出力低下の原因が光電
陽極である場合、時間分
解能の劣化が起こる可
能性がある
高頻度照射によって出力
が低下した際時間分解
能の劣化はおこりうる
か?
光電子増倍管
入射光電子数の設定
増倍率の設定
TOF用1
CDF実験と同等の
103程度
CDF実験と同等の
105程度
平均入射光電子数1pe以下
今回の設定
2×107
TOF用2
H1161
R464
低頻度照射(10Hz)で出力の安定を確認した後、高頻度照射(0.2MHz)に切り替え、
分解能の測定を行った
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時間分解能:セットアップ
真上から
レーザー
を照射
• R7761,H1161はCDF実験と
同等の条件に設定
– 光量1000個程度
– 増倍率105
λ= 410 nm
• レーザーは時間分解能測定、
LEDはダメージを与えるため
に用いた
H1161
(参照用)
シンチレータ
高頻度
LED
R7761
(TOF 用)
(0.2MHz)
R7761
(TOF 用)
N.D.フィルター
(5Hz)
ADC
div
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LED
LED
暗室内
(20Hz)
低頻度
R464
(光量のモニター)
laser
TDC
Discri
PC
laser
(5Hz)
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時間分解能:光量モニターの測定結果
• 光量モニターの方法
– 平均入射香料を1pe以下に
設定
– 増倍率変動の影響を受けな
い
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• 光量モニターの結果
12000時間で±20%のゆらぎ
⇒モニター結果で入射光量補正を
行う
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時間分解能:出力電荷の測定結果
• レーザーでの測定結果
–
–
–
↑
–
光量モニターの結果に基づき、入射光量による補正を行った
低頻度照射時には出力は安定していた
高頻度照射時の出力の減少が2週間で20~50%
光電子増倍管10本の測定(長期測定1)においても初回に同程度の減少
高頻度照射後、低頻度に戻すと出力の回復が見られた。
→出力低下に伴い、時間分解能の劣化が生じているかを調べる。
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時間分解能:time walk 補正
• 光電子増倍管からの出力の到達
時間は、出力の大きさに依存して
いる。
signal timing ∝1/Q
→各イベントごとの信号到達時間お
波高依存性をなくすために、補正
をおこなう。
1)補正前のTDC分
布
2)TDCとADCの相
関図
3)補正後のTDCと
ADCの相関図
4)補正後のTDC分
布
時間分解能は210ps
赤線でフィットを行っ
た
ADCの依存性をなく
した
時間分解能は78ps
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時間分解能:時間分解能の測定
光量モニターの結果
• 時間分解能のゆらぎは
入射光量のゆらぎの影
響が見られる。
→高頻度照射によって出力が減少しても光電子増倍
管の時間分解能の劣化は生じない
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まとめ
• 長期測定1:出力電荷の変動
– CDF実験環境を再現し、TOF測定器用光電子増倍管の出力電荷の
変動の測定を行った。
– 出力電荷の測定では20000時間あまり高頻度照射(0.5MHz,
0.2MHz)と低頻度照射(10Hz)を繰り返し、変動を測定した。
– その結果、高頻度では出力は最大50%程度低下し、低頻度では90
~100%回復することが分かった
– テストした5つの条件の違いによる変動の違いは見られなかった
• 長期測定2:時間分解能の測定
– 時間分解能の測定では、出力電荷の減少に伴い、分解能の劣化が
起こるか約1200時間測定した。
– その結果要求された性能(100ps)を満たす、80ps程度の分解能が
得られることが分かった。
– 出力低下の原因はダイノードやアノードによるものと示唆される
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おわり
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バックアップ
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実際CDFで
ADC for 1 MIP
Average over 432 channels
Gate の width
を変えた
20 % loss over 1year
Attenuation length は
ほぼ変化していない?
縦軸 : 出力の逆数
に相当する量
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ダウンロード

ppt