[論文レビュー] Note on Drexel tests of the IMB R1408 PMTs used in the inner veto of both far and near detectors of the Double Chooz experiment

K. Zbiri|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2011

Particle Detector Development and Performance被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、写真統計法および光パルサー法を用いて、250台のIMB R1408フォトマルチプライヤー管（PMT）を評価し、ダブルチーズ実験の遠方および近方検出器のインナーベトロシステムに使用するための156台を選別した。主な発見は、同じ増幅率の条件下で、新しいテーパードベースが、線形ベースと比較して飽和性能を2〜3倍改善することである。これは、増幅率や高電圧設定を変更せずに達成された。

ABSTRACT

This report is related to the testing performed at Drexel University of 250 R1408 PMTs. Based on this testing, 156 R1408 PMTs were chosen to be used in the inner veto of the detectors of the Double Chooz experiment.

研究の動機と目的

• ダブルチーズ実験のインナーベトロシステムに使用する予定の250台の中古R1408 PMTの信頼性と性能を保証すること。
• 目標増幅率約10⁷を達成するための最適な高電圧設定を特定し、アレイ全体で一貫したPMT応答を確保すること。
• 旧線形ベース、新線形ベース、新テーパードベースの3種類のPMTベースの性能（増幅率、飽和、暗電流ノイズ）を比較すること。
• 写真統計法および光パルサー法の両方を用いたキャリブレーション手法の妥当性を検証し、正確なPMT特性評価を可能にすること。
• ダブルチーズの遠方および近方検出器に設置するため、最適な性能を示す156台のPMTを選別すること。

提案手法

• ADCパルス振幅の分散対平均比を、さまざまな光強度で測定することで、写真統計法を用いてPMTの増幅率を決定した。
• ²⁴¹Am α源をNaI(Tl)シンチレーターに結合して、単色光パルスを生成し、光パルサー法による増幅率キャリブレーションを実施した。
• 印加された高電圧の関数として最大パルス振幅およびしきい値電圧を測定し、増幅率=10⁷の動作点を特定した。
• 増幅率の値を、写真統計法と光パルサー法の両方で測定し、一貫性と正確性を確認した。
• 固定された高電圧下で、増幅率、飽和レベル、暗電流ノイズ率を測定することで、旧線形、新線形、新テーパードの3種類のベースタイプの性能を比較した。
• 対数スケールのlog-logプロットで、高電圧に対する増幅率のデータをフィッティングし、直線性を評価するとともに、13段階増幅の挙動を確認した。関係式 G = KV^(Nα) を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 各R1408 PMTに対して、増幅率が約10⁷となる最適な高電圧設定は何か？ これにより、アレイ全体で一貫した性能が確保される。
• RQ2 旧線形、新線形、新テーパードの3種類のPMTベースタイプが、同じ高電圧条件下で増幅率および飽和性能に与える影響は何か？
• RQ3 写真統計法と光パルサー法の両方で得られるPMT増幅率および飽和性能の測定値は、どの程度一致するか？
• RQ4 元の線形ベースと比較して、新しいテーパードベースを用いることで、増幅率の直線性および飽和性能はどのように向上するか？
• RQ5 ベースの終端抵抗が測定された増幅率に与える影響は何か？ また、異なるベースタイプ間でその影響はどのように変化するか？

主な発見

• 同じ増幅率（同一の高電圧）条件下で、新しいテーパードベースは、新しい線形ベースと比較して、飽和性能を2〜3倍改善した。PMT#139では、テーパードベース使用時で508 peの飽和、線形ベース使用時で189 peの飽和を記録した。
• 1300 Vで、PMT#139に新しいテーパードベースを装着した場合、増幅率は1.13×10⁷、飽和レベルは508光電子に達した。一方、同じPMTに旧線形ベースを装着した場合、1220 Vでしか増幅率が得られず、飽和レベルは165光電子にとどまった。
• 同じ高電圧で、新しい線形ベースと新しいテーパードベースの増幅率はほぼ同一であった。これは、バックエンド終端抵抗が増幅率の変動の主因であることを示している。
• 新しいテーパードベースの増幅率と旧線形ベースの増幅率の比は、異なるPMT間で0.694〜0.903の範囲にあり、平均で約0.75であった。これは、ベース設計による一貫した増幅率の低下を示している。
• 新しいテーパードベースは、高電圧の増加に伴う増幅率応答がより直線的であり、13段階増幅の挙動（G ∝ V^(Nα), α ≈ 0.7）と整合性があるフィッティングが得られた。
• PMT#139では、新しいテーパードベースを用いた場合、暗電流ノイズレートが1.6 kHz（0.221 pe）と最も低く、旧線形ベースを用いた場合の2.4 kHzと比較して、ノイズ性能が向上していた。