29th.Sep.2004 日本物理学会 @ 高知 CDF RunII 実験用 CPR 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筑波大物理中村浩二, 受川史彦, 木村直樹, 金信弘, 田村朋也, 山内伸, 山田佳範目次 ● 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 CDF 実験、CPR 検出器陽子・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 CPR 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。 CPR検出器の役割 ◎ ± ± e，p の分離 CPR 検出器の波高分布(RunI) ± 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 p ± → 1 MIP の粒子が多い ◎g，p 1Xo → g g の分離 0 g : CPR の内側で対生成を一回でも起こす確率 : Pg Pg = 1 - exp(- 7 t / 9) p : 2gのうち少なくとも一方が 0 対生成を起こす確率: Pp Pp = 1 - (1 - Pg)2 ←この確率の差を利用することで g が観測された全事象から、 g とp0 の割合を統計的に計算することができる。要求～50MIPsの信号 1MIPの信号 CPR2検出器の構成 CPR ：ガス検出器 (応答速度が遅い) ↓ CPR2 ：シンチレータ型シンチレータ WLS ファイバクリアファイバ光電子増倍管シンチレータタイル CPR2 検出器の読み出し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。マルチアノード光電子増倍管 H8711MOD2 (浜松ホトニクス社製) 31 mm アノードが 16 分割されている。 46 mm 31 mm ・コンパクトである・コストがおさえられる。 (12 段) ・応答非一様性・信号の漏れ評価の必要あり。評価項目 • • • • • 6 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測定装置 ◎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) 半導体レーザー（波長410nm） ◎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) 読み出しには、 LeCroy 2249A (0.25 pC/count) のADC モジュールを用いる。増幅率 ◎ 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 750V への換算： G(1000V ) = 2.76107 ：1000V G(750V ) = 1.23106   750  G(750V ) =    G(1000V )  1000 βは、HV curve のパラメータ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 6 750 V で増幅率の平均が 1.0×10 程度 1 MIP 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 e = 99.0 % (mean の68%のチャンネル) 50 MIPs 相当の信号に対する応答の線形性 ◎ 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： Q = αV Deviation(%)  (Gain of mean ch = 1.0106 ) β (10 ～150 ADCcount) Q measure  Qfit Qfit 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) 応答の一様性 ◎ 測定 RMS=12.6% ◎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 68 % ◎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応答のばらつき12.6% は、十分小さい。 138 % 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。インストール状況 9月25日現在 NEW ◎ 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。 EMPTY, EM Calorimeter face OLD and UGLY 宇宙線テスト @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 ADC Counts Pedestal RMSs まとめ • 1.0×106 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。 Appendix 応答の平均と分散から求める ◎ 測定方法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。 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 1st dynode 5 p.e. 1st dynode 10 p.e. efficiency 99.75% efficiency 97.6% 1st dynode 5 p.e. Gain of PMT and threshold x12.5 efficiency 98.8% 1st dynode 15 p.e. efficiency 99.96% Install status 9th 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 detector 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. インストール状況 2004年9月9日現在 • 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。 Install status 21th Sep2004 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. 宇宙線テスト @FNAL 86K Cosmic Triggers 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。→原因調査中インストール CEM カロリーメータ PMT BOX (4 PMTs/1 BOX) CPR2 検出器 CEM カロリーメータの表面以前のCPR 検出器