PMTテストシステム山中研M2

Lee Jong-won

E14実験

KL

ν

γγ

ν

η2 ∝ BR(KL → π0νν̄)• 崩壊比(理論値):2.8×10-11• 理論的不定生が小さい• Direct CP-Violation• ２つのγだけ検出可能

which is proportional to twice the area of the unitarity triangle [14].

Figure 2: Kaon unitarity triangle.

Although the best direct experimental information on the K0L → π0ννmode will be from the full E391a data set, the first preliminary result forthe branching ratio is B(K0L → π0νν) < 2.1 × 10−7 as a 90% confidence-level (C.L.) upper limit [15]. A more stringent constraint can be derived byusing the information on the charged mode [16] and isospin symmetry, andis called “Grossman-Nir (GN) bound” [17]:

B(K0L → π0νν) ≤ 4.4 × B(K+ → π+νν) (3)

which givesB(K0L → π0νν) < 1.4 × 10−9. (4)

As discussed in Ref. [17], this bound is valid in virtually any extension of theStandard Model. By comparing this model-independent bound and the SMprediction, it is clear that there is still considerable room for new physics inK0L → π0νν. But even if the experimental measurement of B(K0L → π0νν)was found to be in agreement with the SM expectation with a small relativeerror, this information would translate into a unique and precious insightabout the CP and flavor structure of any extension of the SM. These featuresmake the experimental search for K0L → π0νν, at the SM level and below,a must-do experiment.

The super-weak model, which causes CP violation only in the mixing(∆S = 2 transition), is almost ruled out by the recent #′/# experiments atFermilab [18] and CERN [19]. However, the other primary explanation, theCKM matrix (i.e. the Standard Model), accommodates the experimental

8

Kaon unitarity triangle

CsIカロリメータ• 長さ:50cm＝27X0• エネルギー分解能:~2%(@KTeV、1GeV)• 位置分解能:1mm(@KTeV)(2.5cm×2.5cmの

結晶の場合)

• 発生する光子数:15~20個/MeV(15000~個＠1GeV)

CsIカロリメータ性能

PMTの性能• ダイノード数:5(よい線形性)• 増倍率:5000(*KTeVベースの場合)• 線形性:出力パルス高30mAまで±0.5%以下

(*KTeVでの要求値)

PMTテストシステムの概要PMTテストシステムへの要請

• Nonlinearity＜0.2％(⇦系統誤差の抑制、CsIのエネルギー分解能(2%@1GeV))• 高い安定性、再現性(⇦PMTのゲインの見積もり) • 20個以上(多数)のPMTの同時測定可(⇒均等に光の分配が出来る構造)• PMTの主な測定レンジ(光子数:15~30000個)で光の量の調整が可能(⇒NDフィ

ルタ+ステップモータで光量を400万倍変化可能)

• 将来的にCsIカロリメータのカリブレーションに使える。

LASER

フィルタシステムOptical Circuit

PIN1PIN2各PMTへ

20 bit ADC

2次ファイバφ=0.5

１次ファイバーφ=2mm、length=16m

光量測定装置

Nd:YAG70mJ@355nm

Dye9-Methylcarbazole Ethanol solvent

光源

PMTテストシステムの概要

恒温槽(光分散系)

LASERの特性

• ND:YAG-LASER、出力波長:266、355、532、1064(nm)

• 出力強度:70mJ/pulse@355nm、10Hz• 出力頻度:最大20Hzまで

LASERの性能LASER出力

パルス幅:8ns

!"#$%&'(

) * + , - .)

/01.234!

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6))))

65)))27289:2*! 2);*,,;.;6!2.;+++$?)+2

27289:2*! 2);*,,;.;6!2.;+++$?)+2 • 出力の変動:発振開始から３時間で弱50％減少(周辺環境による)

• 安定時の出力の変動:3~4%

Dye9-Methylcarbazole ethanol solvent(0.5g/1liter ethanol)

Emission Spectrum

9-Methylcarbazole

Excitation Spectrum

Emission Spectrum(実測値)@355nm input

355nm入射光

365nm

380nm

クォーツセルを用いた測定配置

Dye

8cmレーザー光355nm⇒

PIN2

PIN1

11cm

恒温槽

1cm

クォーツセル

クォーツセル

4.5cm

1cm

1次ファイバ

PINDiode

liquidscintillator

• 恒温槽の中で温度変化をっさせ、温度変化に対する変化を見る。

• 温度が安定しているときのPIN1とPIN2の比の安定性

線形性

(PIN1/PIN2):PIN1

1%

• VFWを稼働し、1次ファイバーに入射する光の量を変化させた。

• PIN1とPIN2の比はPINの出力が50000以上の時、1.97と1.98の値を持っていた。

• VFWの回転によって比が

温度依存性恒温槽の温度30℃⇒15℃に5℃ずつ変化

0.6%

• 15℃から25℃の間で0.6％の比の変化⇒温度変化を押さえると比の変化も小さくなるはず。

• 25℃~35℃の間の変化~0

PIN1/PIN2

temp

PIN1/PIN2

Xposition(mm)

• Dyeへの光の入射位置を横に移動した時のPIN1とPIN2の比の変化:15％/1.25mm

• ⇒ファイバからDyeへ入射する光の光度分布がちょっとだけ変わっただけでPIN-diode同士の比か変化する。

15%

問題点

• 1次ファイバからの光が完全にDyeに吸収されないため、その残った光が壁面に散乱されPIN-Diodeに入射する事がある。(~数万)

• １次ファイバの上流側の変化(VFWの境界線)が下流側の比率に影響を及ぼす。(~0.5%)(⇒上流側の変化によるファイバ内の光度分布の変化によらない発光システム)

• なぜか恒温槽の動作にPIN moduleが影響を受ける。

“Bowling Ball”を使った測定

• 1次ファイバからの光が殆どDyeに吸収され余計な散乱を発生させない。

• 多くのファイバに光を均等に分散できる。⇒実際の光分散に有利。

PIN1PIN2

...

直径:18cm

発光長:2cm

8cm

Bowling Ballの利点

線形性• １回目の測定が終わってすぐ2回目の測定

を行った。時間差:７分

• 1回目と2回目の測定でのPIN1とPIN2の比の変化0.2%の要求を満たす。

• クゥーツセルの時に出た上流依存性が減った

VFWを回しながら２回測定を行ったPIN1:PIN2

PIN1/PIN2:光の強度変化0.1%

PIN1/PIN2 Mean:0.9446RMS:0.00040.1%

安定性• 測定と測定の間にCAMACの電源の

ON、OFFがあってもPIN1の出力とPIN2の出力は有意に変わらない

• レーザーおよび光学系が多少不安定になってもPIN-Diode同士の出力の比は大きく変わらない。

0.1%

• 測定中の恒温槽内部の温度変化は±0.3℃(温度:20℃)以下に押さえられている。

18時間(CAMAC,LASER:ON)

CAMAC:OFF

CAMAC:OFFLASER:OFF

0.03%

2次ファイバーへの光の分散• ”Bowling Ball”の3カ所で2次ファイバを入

れ、2次ファイバへ入射する光の線形性を測定した。

• 結果:ある程度の線形性は見える(~1%)もののまだ目標値(0.2％)には到達していない。

2nd fiber PIN:Monitor PIN(Normalized)

12

3

緑:3

赤:2黒:1

Another Monitor PIN

2nd fiber PIN:Monitor PIN(Normalized)

まとめ

• クォーツセルを使ったPIN-DiodeテストでPIN-Diodeの温度依存性が分かった。• “ボーリングボール”を使う事により光の強度を0.2％以下に測定できるシステムを構

築できた。

• PIN-Diode+20bitADCの組み合わせで、Nonlinearity

Filter system

両方ともに反射型ND-FilterCAMAC制御のステップモーターによって制御

FFW(Fixed Filter Wheel)×2

*ND-Filter

Stepper Motor

VFW(Variable Filter Wheel)

透過率が連続的に変化

*ND-Filter(Neutral Density Filter):光量減衰用のフィルタ

フィルタの透過率の測定(VFW)

!"#$%

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+,-"./0..01023

!)(&

!((&

(

3.6度ごとの透過率を測定透過率:1/400 ~１

VFW 透過率:回転角度

0度

(度)

フィルタの透過率の測定(FFW)

FFW1透過率T=0.15~1

FFW2透過率T=6.6-4~1

光度を104倍まで変化できる。⇒VFWとFFWの組み合わせで光量を400万倍のレンジで調整できる。

ID # of Filter

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Tra

nsm

issit

y

0.2

0.4

0.6

0.8

1

ID# of Filter

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Tra

ns

mis

sit

y

-410

-310

-210

-110

1

0

432

5

１

678

9Filter#0⇒フィルタなし

Bowling ball linearity

• PIN1>~50000でのデータは殆ど0.944~0.946の間の値を持つ。

• PIN1

Secondary_fiber output

#3

#1 #2

Secondary_fiber outputMonitor PIN

温度変化

• 温度変化に対する比の変化を調べる時、1次ファイバの反対側(Dyeに対して)に他のPIN3を置いた時、右のようなグラプが得られた。

• ⇒Dyeの温度変化に対する355nmの吸収率の変化を示している?？

PIN3/PIN2

線形性の比のずれの原因?PIN-Diodeの電源供給回路が不安定⇒PIN出力への悪影響

Nonlinearityのずれとシグナル/

Linearity-20 -10 0 10 20

Number_Of_Event

2300

2350

2400

2450

2500

2550

2600

2650

Signal_EventSignal_Event

-20 -10 0 10 20

47

48

49

50

51

52

53-6

10!

TwoPi0_EventTwoPi0_Event

Linearity-20 -10 0 10 20

Number_Of_Event

2300

2350

2400

2450

2500

2550

2600

2650

Signal_EventSignal_Event

-20 -10 0 10 20

47

48

49

50

51

52

53-6

10!

TwoPi0_EventTwoPi0_Event

5％⇒系統誤差?

EPMT = Ereal × [1−Nonlinearity ×Ereal2GeV

]