[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究采用光电统计法与光脉冲发生器法对250只IMB R1408光电倍增管（PMT）进行评估，从中筛选出156只用于双诸线实验远端和近端探测器的内 veto 系统。主要发现为：在相同增益条件下，新型锥形底座相比线性底座可将饱和性能提升2–3倍，且无需改变增益或高压设置。

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.

研究动机与目标

• 确保250只用于双诸线实验内 veto 系统的二手R1408 PMT的可靠性与性能。
• 确定实现目标增益约10⁷的最优高压设置，确保阵列中PMT响应的一致性。
• 比较旧线性底座、新线性底座与新锥形底座在增益、饱和度和暗噪声方面的性能差异。
• 验证光电统计法与光脉冲发生器法的校准技术，以实现对PMT特性的准确表征。
• 筛选出156只性能最优的PMT，部署于双诸线实验的远端和近端探测器中。

提出的方法

• 采用光电统计法，通过测量不同光强下ADC脉冲幅度的方差与均值之比，确定PMT增益。
• 使用²⁴¹Am α源耦合NaI(Tl)闪烁体产生单色光脉冲，通过光脉冲发生器法进行增益校准。
• 测量最大脉冲幅度与阈值电压随所加高压的变化，以确定增益=10⁷的工作点。
• 通过光电统计法与光脉冲发生器法交叉验证增益值，确保一致性与准确性。
• 在固定高压下，通过测量增益、饱和水平与暗噪声率，比较三种底座类型（旧线性、新线性、新锥形）的性能表现。
• 在双对数坐标下拟合增益与高压的关系，评估线性度并确认13级放大行为，使用公式G = KV^(Nα)。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何为每只R1408 PMT确定最优高压设置，使其增益达到约10⁷，从而确保阵列中性能的一致性？
• RQ2 不同PMT底座类型（旧线性、新线性、新锥形）在相同高压下如何影响饱和性能与增益？
• RQ3 光电统计法与光脉冲发生器法在确定PMT增益与饱和度方面的一致性程度如何？
• RQ4 相较于原始线性底座，使用新型锥形底座在增益线性度与饱和性能方面有何改善？
• RQ5 底座终端电阻对测量增益的影响是什么？不同底座类型之间的差异如何？

主要发现

• 在相同增益（即相同高压）条件下，新型锥形底座相比新线性底座使饱和性能提升2–3倍，例如PMT#139使用锥形底座时饱和光电子数达508 pe，而使用新线性底座时仅为189 pe。
• 在1300 V电压下，PMT#139使用新型锥形底座时增益为1.13×10⁷，饱和水平为508光电子；而同一PMT使用旧线性底座在1220 V电压下仅达到165光电子的饱和水平。
• 在相同高压下，新线性底座与新锥形底座的增益几乎完全一致，表明背端接电阻是导致增益差异的主要因素。
• 新锥形底座与旧线性底座的增益比值在不同PMT间介于0.694至0.903之间，平均约为0.75，表明底座设计导致增益系统性降低。
• 新型锥形底座提供了更线性的增益响应，其高压增加时的增益变化与13级放大行为一致（G ∝ V^(Nα)，α ≈ 0.7）。
• PMT#139使用新型锥形底座时暗噪声率最低（1.6 kHz），对应0.221 pe；而使用旧线性底座时为2.4 kHz，表明噪声性能有所改善。