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

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1 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（ ）

2 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（ ）

3 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
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 PEM

4 プラグ部電磁（PEM）カロリメータ 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
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 Wave length shifter fiber Clear fiber 22 layers PMT WLSF発光波長： ~500nm　（緑色） 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 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 4.5mm厚の鉛タイル 4mm厚のシンチレータタイル 22層 フレーバー物理研究会（ ）

5 光電子増倍管の長期安定性測定の目的 ・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。
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。 フレーバー物理研究会（ ）

6 測定のSetup R ① ② ③ ④ X ・光源：緑色LED (500nm) ・最大16本の光電子増倍管を固定できる箱
11PMTs　 (500nm) (VME) FPGAで作成 R ① ② ③ ④ X ・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 ③光量5倍 Gain1/5倍 ~ 0.5 ④光量1/5倍 Gain 5倍 ~ 100 ~ 12.5 Conditions

7 Setup 測定に用いたPMT 枠に設置したPMT PEM用 光量モニター用

8 LED発光強度のモニター # of events N0
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。 Npe=0.32 threshold Zero-photoelectron Peak Single Photoelectron Peak Output charge [ADC counts] N0 Ntotal # 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 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。 平均入射光電子数 μは より求まる。 フレーバー物理研究会（ ）

9 LEDの安定性 10Hｚ 0.25MHz ・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。
±0% ＋5% ＋10% ＋15% －5% －10% －15% 10Hｚ 入射光電子数 0.25MHz 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。 フレーバー物理研究会（ ）

10 R4125G出力電荷変動結果（condition①）
±0% ＋10% －10% ＋20% －20% 10Hz 典型的な CDF実験の状況 0.25MHz ±0% ＋10% －10% ＋20% －20%

11 R4125G出力電荷変動結果（condition②）
±0% ＋10% －10% ＋20% －20% 10Hz 光量5倍 5％程度の上昇 0.25MHz ±0% ＋10% －10% ＋20% －20%

12 R4125G出力電荷変動結果（condition③）
±0% ＋10% －10% ＋20% －20% 10Hz 光量5倍 , Gain 1/5倍 0.25MHz ±0% ＋10% －10% ＋20% －20%

13 R4125G出力電荷変動結果（condition④）
±0% ＋10% －10% ＋20% －20% 10Hz 光量1/5倍 , Gain 5倍 0.25MHz ±0% ＋10% －10% ＋20% －20%

14 増幅率変動の原因 １．陽極電流の増加 ２．ダイノード台座の帯電 ３．ダイノードに付着した残留ガス ４．空間電荷の飽和
　　→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。

15 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。 ±0% ＋10% －10% ＋20% －20% 10Hz 光量5倍 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。

16 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。
　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。

17 BACKUP

18 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. The model figure of R4125G PMT. フレーバー物理研究会（ ）

19 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 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 フレーバー物理研究会（ ）

20 Oscilloscope フレーバー物理研究会（ ）

21 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 ＞ ＜調節したGAIN （104） ＞ ④ 107 ① 515 REF ~0.4 505 ② 2974 110 2926 ③ 2118 2829 ④ 12.0 ① 2.3 2.4 ② 2.2 11.8 2.1 ③ 0.6 0.4

22 GAIN 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
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。 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　 →σ2＝Gain×Mean Mean σ2 →傾きが増幅率に相当 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。) フレーバー物理研究会（ ）

23 GAIN

24 LEDの安定性 フレーバー物理研究会（ ）

25 LEDの安定性 フレーバー物理研究会（ ）

26 Projection　25ave 1.0% 0.45% フレーバー物理研究会（ ）

27 Projection　25ave 0.6% 0.5% フレーバー物理研究会（ ）

28 Projection　25ave 1.0% 0.3% フレーバー物理研究会（ ）

29 Reference PMT1 Npe & GAIN stability
フレーバー物理研究会（ ）

30 Reference PMT2 Npe & GAIN stability
フレーバー物理研究会（ ）

31 Reference PMT3 Npe & GAIN stability
フレーバー物理研究会（ ）

32 Pulse height distribution of reference PMTs
フレーバー物理研究会（ ）

33 Pulse height distribution of PEM PMTs
① ② ④ ③ フレーバー物理研究会（ ）

34 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 Ia/Ib=1/54,1/60　(浜ホト推奨：<1/20) フレーバー物理研究会（ ）

35 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
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 フレーバー物理研究会（ ）