CDF RunII CDF RunII 実験用 実験用 CPR CPR 検出器に用いる検出器に用いるマルチアノード光電子増倍管の性能評価マルチアノード光電子増倍管の性能評価

筑波大物理　中村浩二筑波大物理　中村浩二 , , 受川史彦受川史彦 , , 木村直樹木村直樹 ,, 金信弘金信弘 , , 田村朋也田村朋也 , , 山内伸山内伸 , , 山田佳範山田佳範

● 　 CDF 実験 ,CPR2 検出器● 　マルチアノード光電子増倍管　　　　　◎　評価項目　　　　　◎　測定装置　　　　　◎　基本特性の評価● 　 CPR2 検出器のインストー

ル　　　　　◎　インストール状況　　　　　◎　宇宙線テスト● 　まとめ

目次

29th.Sep.2004 　　日本物理学会　 @ 高知

陽子・反陽子衝突型加速器 テバトロン　→重心系エネルギー : 1.96TeV

　目的Top クォーク、 Bottom クォークの精密測定ヒッグス粒子、超対称性粒子の探索

中央部プリシャワー (CPR) 検出器は、飛跡検出器とカロリーメータの間に設置されていて、粒子の識別を主な目的としている。

CDF CDF 実験、実験、 CPR CPR 検出器検出器

CPR

e : 内側で制動放射、対生成　　　 をくりかえしシャワーが起こる。 → 平均　数 MIPs

±

→ 1 MIP の粒子が多い

±

◎ 　 e ， の分離

± ±

◎ ，→ の分離

0

: CPR の内側で対対対対 対対対対対対対確率 : P

P1 - exp(- 7 t / 9)

: 2 のうち少なくとも一方が　　対生成を起こす確率 : P

P1 - (1 - P)2

0

← この確率の差を利用する　　ことで が観測された全事　　象から、 との割合を統　　計的に計算することができ　　る。

0

要求　　　　　　　～ 50MIPsの信号 1MIP の信号

CPRCPR 検出器の役割検出器の役割CPR 検出器の波高分布 (RunI)

1Xo

CPR 　：ガス検出器　

↓ 　

CPR2 ：シンチレータ型

( 応答速度が遅い )

シンチレータタイル

シンチレータタイル 3072 枚からの出力を、16 チャンネル マルチアノード光電子増倍管 約 200 本で読み出す。

CPR2 検出器の読み出し

シンチレータ　　 WLS ファイバ　クリアファイバ　光電子増倍管

CPR2CPR2 検出器の構成検出器の構成

H8711MOD2 　　　　　　　　　　 ( 浜松ホトニクス社製 )

アノードが 16 分割されている。

・　応答非一様性

・　信号の漏れ

評価の必要あり。

・　コンパクトである

・　コストがおさえられる。

31 mm

31 mm46 mm

マルチアノード光電子増倍管マルチアノード光電子増倍管

(12 段 )

評価項目評価項目

• 増幅率 　 (1.0×10 　で使用 )• 1 MIP 相当の信号に対する応答の検出効率 • 50 MIPs 相当の大きな信号に対する応答の線形性• 応答の一様性• 他チャンネルへの信号の漏れ

6

半導体レーザー（波長410nm ）

測定装置測定装置

読み出しには、

　 LeCroy 2249A (0.25 pC/count)

の ADC モジュールを用いる。

◎ 半導体レーザー　　　　　　　　 →安定型ピコ秒ライトパルサ (PLP-02) 　→レーザーダイオードヘッド (SLDH-041)

◎ 石英光ファイバ　　　　　　　　　　　　　　　　　→京三製作所製 (GI-50/125)

◎WLS ファイバー →クラレ社製 (Y-11 0.83 mmφ)

◎ND フィルター　　　　　　　　　　　　　　　　　→コダック社製ゼラチンフィルタ

◎ レファレンス用 PMT 　　　　　　　　　　　　　　→浜松ホトニクス社製 (H1161-GS)

◎X-Y スキャナステージ →シグマ光機社製 (LTS-50XY-ORG)

増幅率増幅率

750 V で増幅率の平均が 1.0×10 程度6

◎ 測定方法

　増幅率の大きいチャンネル→ 単一光電子に対する応答から求める

　第一ダイノードに入射する光電子：平均0.1 個

　印加電圧　　　　　　　　　　　　　　 ：1000V

　 750V への換算　：

　増幅率の小さいチャンネル→ 応答の平均と分散から求める　 A Simple light detector gain measurement technique, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A315 (1992) 349-353

)1000(1000

750)750( VGVG

6

7

1023.1)750(

1076.2)1000(

VG

VG

β は、 HV 　 curve のパラメータ

1 MIP 1 MIP 相当の信号に対する応答の検出効率相当の信号に対する応答の検出効率1 MIP 相当の信号によって、第一段ダイノードに入射する光電子数 を 約 5 個 　と仮定　 ( デザインは、 20 個 )

◎ 測定 ( 増幅率が mean の 68% のチャンネル )

◎ 出力電荷 / 増幅率 =5e (e: 素電荷 )

　となるように光量を調節した。

◎CPR2 検出器で用いる ADC は、 12.5 倍の分解能を持つ。

　この分解能での波高分布を模擬するため、

　印加電圧を上げて測定した。

　　　想定電圧： 750V

　　　印加電圧： 955V

　なお、 PMT 自体の増幅率の変更により、波高分布の形が

　大きく変化しないことを確認した。

◎ ペデスタルの σ は、 CPR2 と同様のデータ収集システムを用いられている、プラグ部カロリーメータの

　データから、 1×20 fc と定めた。 ( 現在行われている宇宙線テストでも同様の値が得られている。 )

◎ 閾値をペデスタルの 3σ に定めた。

検出効率　 = 99.0 % 　 (mean の 68% のチャンネル )

50 MIPs 50 MIPs 相当の信号に対する応答の線形性相当の信号に対する応答の線形性

fit

fitmeasure

Q

QQ%)Deviation(

) 101.0chmean of(Gain 6

◎ 測定 ( 増幅率が mean の 138% のチャンネル )

◎ 出力電荷 / 増幅率 =250e (e: 素電荷 )

　となるように光量を調節した。

◎ 印加電圧 ： 540 ～ 780V (30V 毎 )

◎ フィット関数 ：

(10 ～ 150 ADCcount)

印加電圧 750 V で、線形性からのずれが 3 % 以内　 (mean の 138% のチャンネル )

βαVQ

応答の一様性応答の一様性

RMS=12.6%

応答のばらつき 12.6% は、十分小さい。

◎ 測定 ◎ 出力電荷 / 増幅率 =100e (e: 素電荷 )

　となるように光量を調節した。

◎ 印加電圧 ： 750V

◎ 予備も含めて 220 本の MAPMT を測定し、

　各 MAPMT で、出力電荷の平均値が 1 となる

　ように規格化した。

◎ 曲線は、ガウス分布でフィットしたもの

68 % 138 %

信号の漏れ信号の漏れ◎ 測定◎ 光源を→に沿って 0.5 mm 間隔で動かし、黄色のチャンネル

　からの出力電荷を測定した。

◎ 印加電圧 ： 750V

信号の漏れは 2% 以内。

インストール状インストール状況況9 月 25 日現在　

◎ 　全体の 1/4 のインストールが完了

　◎　インストール済の module で宇宙線テストを

　　　行っている。OLD and UGLY

NEW

EMPTY, EM Calorimeter face

宇宙線テスト　宇宙線テスト　 @FNAL@FNAL← 　宇宙線テストの波高分布

　　　 ( 通常の 4 倍の増幅率で測定 )

　　 ADC の分解能は　 20fc/count より

　　 1st 　ダイノードに入射する光電子数は、

　　 約　 10 p.e↓ 　ペデスタルトリガの波高分布

ペデスタルの σ は、約 1 ADC count

100K

Pedestal trigger Event

Pedestal RMSs ADC Counts

まとめまとめ• 1.0×10 程度の増幅率が得られた• 増幅率が平均の 68% のチャンネルでも、 1MIP 相当の信

号に対する検出効率は 99% 以上と予想される。• 増幅率が平均の 138% のチャンネルまで、 50 MIPs 相当

の信号に対する応答の、線形性からのずれが 3% 以内。• 応答の一様性は、そのばらつきが 12.6% 　となり、これ

は、上２つの要求を十分満たす。• 各チャンネルにおける信号のもれは 2 % 以内。• インストール作業は、順調に進んでいる。• 宇宙線テストでは、 1MIP で約 10p.e. 相当の応答が得ら

れている。

H8711MOD2 型光電子増倍管は、 CPR2 検出器に使用するにあたって、その性能が十分であることが確認された。

6

Appendix Appendix

◎ 測定方法

R : 出力電荷 ､ G : 増幅率σR : 出力電荷の標準偏差δSER : 単一光電子による　　　　　　　応答の標準偏差 /平均σelec : 測定器のノイズ

任意の光量の入射に対する出力の平均と分散から求める。

応答の平均と分散から求める応答の平均と分散から求める

efficiency 97.6%

efficiency 98.8%

efficiency 99.96%

1st dynode 5 p.e.

1st dynode 5 p.e.Gain of PMT and threshold

x12.5

1st dynode 15 p.e.

1st dynode 10 p.e.

efficiency 99.75%

Install status Install status 99thth Sep 2004 Sep 2004

• 1/4 of detector stripped and electronics replaced.• 1/2 of PMT boxes mounted. • 1/8 of new detectors mounted.• These steps going much faster than expected. • Finishing up learning curve for many details of detec

tor mounting/alignment, fiber routing and protection, ...

• 1 wedge fully instrumented with optical cables and PMTs took cosmics.

• All potential show-stoppers passed, still much work to do to get a complete, working detector.

インストール状インストール状況況

• 以前の CPR 検出器の撤去、新しいデータ収集システムのインストールが 1/4完了した。

• 1/2 の PMT BOX を設置した。

• 1/8 の新しい CPR 検出器をインストールした。

2004 年 9 月 9 日現在

CPR/CCR Installation Status

Tentative Schedule:

Declare top 10 wedges OK by noon today?

If so, remove remaining slack and secure fibers on side of arch this afternoon.

Remove scaffold for top 10 wedges Weds morning.

Install and test bottom 2 wedges Weds afternoon and Thursday.

Roll-in early Friday morning, take cosmics, roll-out SW arch in afternoon!

Then we have 2.5 weeks per arch until the end of the shutdown.

Install status Install status 21th Sep200421th Sep2004

宇宙線テスト　宇宙線テスト　 @FNAL@FNAL

1MIP 相当の信号に対する第一段ダイノード入射粒子は、 8 p.e. これは、デザインの 1/2.5 程度。→原因調査中

86K Cosmic Triggers

CPR2 検出器

CEM カロリーメータの表面

以前の CPR 検出器

PMT BOX (4 PMTs/1 BOX)

CEM カロリーメータ

インストールインストール