[論文レビュー] Homogeneity of the Photocathode in the Hamamatsu R15458-02 Photomultiplier Tube

Martin Unland Elorrieta, Raffaela Busse+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2021

Radiation Detection and Scintillator Technologies参考文献 13被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、走査された焦点を合わせたLEDビームを用いて、浜松R15458-02フォトマルチプライヤー管の光電子源均一性を高分解能で空間的に特徴付けた。ダイナモードの幾何学的配置に起因するy軸に沿った著しい遷移時間非対称性が判明し、遷移時間スプレッド（TTS）の偏差は、固有のTTSの数倍に達する場合がある。一方、増幅率およびパルス形状には最小限の不均一性が見られた。これらの結果は、平面波照射による測定がTTSを低く見積もっており、時間分布を歪めることを示しており、KM3NeT や IceCube-Upgrade などの大規模検出器におけるニュートリノイベント再構築に影響を及ぼす。

ABSTRACT

It is common practice to test the optical properties of photomultiplier tubes (PMTs) by illuminating the entire photocathode region from the front at once and measuring the average performance. However, for optimal utilisation of the PMT performance in experiments, especially in the single-photon region, it is essential to also know the systematic variations across the photocathode, which requires measurements with focused light sources that illuminate only small regions of the PMT. We present a detailed uniformity characterisation of the gain, transit time, transit time spread, and pulse shape of the 80$\,$mm Hamamatsu R15458-02 PMT. We find that the parameters exhibit asymmetry along one axis, likely caused by the position and geometry of the dynode system. For all parameters except the transit time, the observed variations are small given the intrinsic variation of the parameters. For positions with shifted transit time we observe on average underamplified pulses which can potentially be exploited to improve the pulse reconstruction.

研究の動機と目的

• 浜松R15458-02 PMTの光電子源表面における増幅率、遷移時間、遷移時間スプレッド（TTS）、パルス形状といった主要なPMTパラメータの空間的非均一性を調査すること。
• 前面平面波照射に依存する標準的特徴付け手法に対する非均一性の影響を評価すること。
• 局所的遷移時間偏差とパルス振幅との相関関係が、パルス再構築アルゴリズムの改善に活用可能かどうかを評価すること。
• 次世代ニュートリノ検出器におけるマルチ-PMT光学モジュール用に、詳細かつ位置分解能のあるキャリブレーションリファレンスを提供すること。

提案手法

• 3次元位置決め可能な105 µmマルチモード光ファイバが、50 µm未満の精度で光電子源の離散的点にパルス状459 nm光を照射した。
• PMTアノード信号は高帯域幅オシロスコープ（PicoScope 6404C）でデジタル化され、1点あたり45,000波形分の主要パルスパラメータ（増幅率、遷移時間、TTS、立ち上がり/立ち下がり時間、FWHM）が抽出された。
• 光照射はPMT軸に対して垂直に保たれ、光電子源の曲面を補償するための動的Z距離調整が施された。
• 地球の磁場の影響を排除するために、ヘルムホルツコイル内での測定が実施され、位置に依存しない結果を確保した。
• 全光電子源（r < 41 mm）をカバーする1.2 mm × 1.2 mmのグリッドスキャンを実施し、十分なパルス数（中央部平均の10%以上）を有する点に限定してデータをフィルタリングした。
• 統計的平均化による多光電子（MPE）パルスにおけるTTSの狭小化を補正するための補正モデル（式A.4）を適用し、真の単一光電子TTSの抽出を可能にした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 R15458-02 PMTの光電子源表面における増幅率は、離散的点に照射した場合にどのように変化するか？
• RQ2 光電子源上での遷移時間および遷移時間スプレッド（TTS）の空間的分布はどのようなものか。また、均一性からの系統的偏差は存在するか？
• RQ3 パルス形状パラメータ（立ち上がり時間、立ち下がり時間、FWHM）は光電子源上でどのように変化するか。また、位置とどのように相関するか？
• RQ4 点照射による測定されたTTS値と、標準的な平面波照射によるTTS値はどのように比較されるか。また、時間分布の形状にどのような影響を与えるか？
• RQ5 大きな遷移時間偏差と低増幅パルスとの間の観察された相関関係は、ニュートリノ検出器におけるパルス再構築の改善に活用可能か？

主な発見

• R15458-02 PMTは、非対称なダイナモード構造に起因し、すべての測定パラメータで一貫したy軸非対称性を示した。
• 増幅率およびパルス形状パラメータ（立ち上がり時間、立ち下がり時間、FWHM）は最小限の不均一性を示し、端縁間の変動は5%未満、中央部との偏差は平面波平均と比較してわずか約6%であった。
• 遷移時間には顕著な空間的変動が見られ、端縁間の偏差は固有のTTSの数倍に達し、平面波照射時における時間分布は非ガウス的であった。
• 平面波照射は真のTTSを低く見積もっており、時間分布は入射角に依存する歪みを呈し、単一のガウス的時間応答という仮定を無効にした。
• 大きな遷移時間偏差を示す位置では、一貫して低増幅パルスが発生しており、パルス再構築アルゴリズムへの応用が可能な相関関係が示唆された。
• 電子的ジッタは(136 ± 6) ps、LED時間プロファイルの標準偏差は(234 ± 4) ps（ジッタを差し引いた後）として測定され、MPE TTS測定の正確な補正が可能となった。