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

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

1フレーバー物理研究会（ 2010.2.24 ）

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


ＣＤＦ実験

PEM

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･• 重心系エネルギー 1.96TeV• 瞬間最高ルミノシティ 3.5x1032cm2s-1

• 衝突断面積 50mb• 積分ルミノシティ 6.5fb-1

粒子検出器・ CDF 検出器を用い、トップクォークの精密測定、 B 粒子の物理など様々な研究を行っている。

CDF 検出器の全体図 CDF 検出器の断面図

3

プラグ部電磁（ PEM ）カロリメータ

Wave lengthshifter fiber

Clear fiber

22 layers

PMT

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

PEM は方方方 24 のウェッジに方方方方方方方方方方方方方方

4.5mm 厚の鉛タイル4mm 厚のシンチレータタイル 22 層

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 A

WLSF 発光波長：~500nm 　（緑色）


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 0→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（ MH

z ）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。

5フレーバー物理研究会

（ 2010.2.24 ）

測定の Setup・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。

・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。

・ 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

11PMTs 　

(500nm)

(VME)

FPGA で作成

R

R

①①

②②③③④

④

R

XXX

X X

Setup

枠に設置した PMT

PEM 用

光量モニター用

測定に用いた PMT

7

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方方方方方方方方方方方方方方方方。

eP )0(

平均入射光電子数が μ 方方方方方方方方方方方方方方

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。

totalNNP 0)0(

totalNN0ln

平均入射光電子数 μ は

より求まる。

Npe=0.32

threshold

Zero-photoelectron Peak

Single Photoelectron Peak

Output charge[ADC counts]N0 Ntotal

# of

eve

nts

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LED の安定性

・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。

10Hｚ

0.25MHz

±0%

＋ 5%＋ 10%＋ 15%

－ 5%－ 10%－ 15%

入射

光電

子数

Time [Hours]


R4125G 出力電荷変動結果（ condition① ）

10Hz

0.25MHz

典型的なCDF 実験の状況

±0%

＋ 10%

－ 10%

＋20%

－ 20%

±0%

＋ 10%

－ 10%

＋20%

－ 20%

10

R4125G 出力電荷変動結果（ condition② ）

10Hz

±0%

＋ 10%

－ 10%

＋20%

－ 20%

±0%

＋ 10%

－ 10%

＋20%

－ 20%

光量 5 倍

0.25MHz

11

5％程度の上昇

R4125G 出力電荷変動結果（ condition③ ）

10Hz

0.25MHz

±0%

＋ 10%

－ 10%

＋20%

－ 20%

±0%

＋ 10%

－ 10%

＋20%

－ 20%

光量 5 倍 , Gain 1/5 倍

12

R4125G 出力電荷変動結果（ condition④ ）

10Hz

0.25MHz

±0%

＋ 10%

－ 10%

＋20%

－ 20%

±0%

＋ 10%

－ 10%

＋20%

－ 20%

光量 1/5 倍 , Gain 5 倍

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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。

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。

10Hz

±0%

＋ 10%

－ 10%

＋20%

－ 20%

光量 5 倍

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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。16

BACKUP

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PEM

endplug EM calorimeter.24 wedges in , 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. The model figure of

R4125G PMT.


FPGAFPGA （ 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

FGPA にアップロードHDL記述

デザインのアイデア開発ソフトウェア FPGA デバイス


Oscilloscope


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。

④107

①515

REF~0.4

REF~0.4

①505

②2974

④110

REF~0.4

②2926

③2118

③2829

④12.0

①2.3

①2.4

②2.2

④11.8

②2.1

③0.6

③0.4

＜調節した GAIN （ 104 ）＞＜調節した光量＞

21

GAIN

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。 )

Np.e.

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.× 素電荷出力電荷の標準偏差 (σ)=Gain× 　　　 × 素電荷　

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＝ Gain×Mean

Mean

σ2

→傾きが増幅率に相当


LED の安定性


Projection 　 25ave

1.0%0.45%



0.6%

0.5%



1.0% 0.3%


Reference 　 PMT1 　　 Npe & GAIN stability


Pulse height distribution of reference PMTs


Pulse height distribution of PEM PMTs

①

④③

②


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。

R4125G の合計抵抗： 5.72MΩcx4717,cx4450 （←光量 5 倍、 Ia=2.5μA ）の HV ： 770V 、 850VIb=135μA,149μAIa/Ib=1/54,1/60 　 ( 浜ホト推奨： <1/20)

←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）


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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