[논문 리뷰] Mechanism for reduction of the afterpulsing rate of PMTs

Kai Morita, Mitsunari Takahashi외 8명|arXiv (Cornell University)|2026. 03. 03.

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한 줄 요약

본 연구는 PMT 애프터펄싱을 감소시키려면 빛 조사와 고전압 작동이 모두 필요하다는 것을 보여주며, 가속된 전자에 의한 잔여 가스 이온화가(특히 나중 다이노드에서) 가스 고갈을 유도하고 애프터펄싱률을 낮춘다고 시사합니다. 이 효과는 통합 양극 전류 및 PMT 이득과 상관관계가 있습니다.

ABSTRACT

Photomultiplier tubes (PMTs) are used in Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes (IACTs) to detect Cherenkov light produced by air showers induced by gamma rays in the atmosphere. The afterpulsing rate of the PMTs for the Large-Sized Telescopes (LSTs) of the Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO) was found to increase if they were kept unused in storage. In contrast, PMTs that had been operated in the first LST showed a slight decrease in the rate. This decrease could be explained by a reduction of residual gas caused by ion feedback, although the detailed mechanism remained unclear. In this study, to investigate factors responsible for the evolution in the afterpulsing rate, we operated several PMTs under different high voltage and light illumination conditions. We monitored their rate daily for three weeks to compare their evolution under different conditions. We found that the reduction of afterpulses require both illumination and high-voltage operation. Notably, the reduction strongly depends on the applied high voltage and is closely correlated with the integrated anode current. Therefore, we conclude that the reduction of residual gas is mainly caused by ionization occurring at later dynodes of the PMTs, and the ions are trapped by the dynodes. We also discuss a possible explanation of the reduction of afterpulsing rate by later dynodes.

연구 동기 및 목표

• 저장 중 예비 PMT의 애프터펄싱이 증가하는 이유가 무엇인지, 망원경 환경에서 장기 작동 후에는 감소하는 이유를 조사한다.
• 애프터펄싱 감소에 빛 조사와 고전압 작동이 모두 필요한지 확인한다.
• 어떤 PMT 영역과 전기 조건이 감소 메커니즘을 주도하는지 결정한다.

제안 방법

• 약 3주 동안 다양한 빛 및 HV 조건에서 21개의 PMT를 운용하고 매일 애프터펄싱을 모니터링한다.
• PMT 이득을 측정하여 전하를 광전자 수로 변환하고 애프터펄스 수를 정규화한다.
• 제어된 HV 테스트(1100 V 대 1400 V)를 수행하여 HV 의존성과 이를 통합 전류와의 관계를 연구한다.
• 레이저 펄스를 사용하여 메인 펄스 전하와 100,000 파형에서의 애프터펄스 수를 정량화한다.
• 애프터펄싱률과 통합 음극 전류 및 통합 양극 전류 간의 관계를 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 애프터펄스 감소에 빛 조사와 HV 작동이 모두 필요한가?
• RQ2 감소가 주로 앞쪽 영역(광전극에서 첫 다이노드까지)에서의 이온화에 의해 발생하는가, 아니면 뒷쪽 영역(나중 다이노드에서 양극까지)에서의 이온화에 의해 발생하는가?
• RQ3 애프터펄싱률은 HV, 이득, 통합 전하에 따라 어떻게 비례하는가?
• RQ4 이온화가 가스 고갈 및 이후 애프터펄싱 감소로 이어지는 지배적인 영역은 어디인가?

주요 결과

• PMT가 조명되고 HV가 인가될 때에만 애프터펄싱률이 감소한다.
• 감소는 더 높은 HV에서 더 강하며 통합 양극 전류와 상관관계가 있다.
• 이온화는 뒷쪽 영역(나중 다이노드와 양극 사이)에서 발생하는 것으로 보이며 이온이 다이노드에 의해 포획되어 잔류 가스를 감소시킨다.
• 같은 HV 의존성이 애프터펄스와 그 감소 모두에서 나타나며, 같은 이온화 과정이 두 경우를 모두 작동시킨다는 것을 시사한다.
• 뒤쪽 영역에서 생성된 이온은 광전극에 도달하지 않고 다이노드 표면에서 중성화되며, 앞쪽 영역에서 기인한 애프터펄스가 뒷쪽 가스 고갈의 영향을 받음을 나타낸다.
• 감소의 크기는 더 높은 에너지 전자(1100 V에서 약 100 eV, 750 V에서 약 60 eV)와 일치하며, 남은 가스의 주요 성분으로 헬륨이 일치한다는 것을 시사한다.
• 관찰된 애프터펄스는 주로 앞쪽 영역에서 기인하며, 뒤쪽 영역의 확산에 의한 가스 고갈이 이 속도를 감소시킨다.