CDFⅡ 実験， TOF 測定器に用いられるファインメッシュ型光電子増倍管の性能評価Ⅵ

筑波大物理

木村　直樹

目次：•目的と CDF 測定器•光電子増倍管•長期安定性測定方法•結果•まとめ

CDF 検出器フェルミ国立加速器研究所

テバトロン加速器陽子・反陽子衝突

　　重心系エネルギー　２ TeV

最高瞬間ビーム輝度

1.3× １０３２　ｃｍ－２　ｓ－１

（２００５年 8 月　現在）１年後に予想される最高瞬間ビーム輝度

　　　２ × １０３２　ｃｍ－２　ｓ－１

( 陽子・反陽子衝突頻度　　　　 10 MHz) 　　　　　　　　　　

飛跡検出器

ソレノイドコイル

シリコン検出器

衝突点

粒子飛行時間測定器

ハドロンカロリメータ

ミュオン測定器

電磁カロリメータ

目的 : 本実験では，高計数率下で粒子飛行時間測定器に用いられる光電子増倍管が長期的に安定に動作するか確認する。

粒子飛行時間測定器

シンチレータ

ライトガイド

R7761 　　　　　ファインメッシュ光電子増倍管　　ビームライ

ン

シンチレータ　 (4cm×4cm×280cm) 　 216 本目的　：　衝突点からの飛行時間を測定して粒子識別を行う．

TOF 測定器

１年後の CDF 実験から予想される粒子入射頻

度 シンチレータ 1 本あたり　　 500 kH ｚ

4 cm

280 cm

(TOF 測定器 : Time of Flight detector)

TOF 測定器用　光電子増倍管

• 光電面　バイアルカリ

• 増幅率 　　　　　 無磁場 1000 V ，磁場 1.4 T 2200

V 　１０５程度

• TOF 測定器の時間分解能　 (1.4T)

１００ ps

浜松ホトニクス社製ファインメシュ光電子増倍管　R7761

•最大陽極電流　１０　 μA

一年後の CDF 実験から予想される

陽極電流　８　 μA ダイノード構造

測定方法 一時間おきにレーザー １パルスでの出力電荷を , ５００イベント測定する . レーザー光入射頻度

合計　 10 ヶ月

光源 : 浜松ホトニクス社製安定型ピコ秒ライトパルサ(PLP-02)

レーザーヘッド (410 nm)

ファイバ

分光器N.D フィルタ

TOF 用光電子増倍管　　　　 x 7

レファレンス用光電子増倍管　　　　 x 2

恒温槽 (21 ) (60%)℃ 初期テスト　　 　

10 Hz (3 週間 )

一年後の CDF 実験の再現　500 kHz (2 週間 )

　　　低頻度での回復　　　　 100 Hz (4 週間 )

500 kHz (2 週間 )

10Hz (2 週間 )

現在の CDF 実験の再現 200 kHz (6 週間 )

10Hz ( ３週間 )

200 kHz 　 (3 週間 )

10 Hz 　 (4 週間 )

10 ヶ月間もの長期間測定では、光電子増倍管自体の出力変動と共に、測定機器の安定性

も確認した。（レファレンス用光電子増倍管）

光量測定

(H1161)

レファレンス用光電子増倍管での増幅率と光電子数の測定

SPP が見える程度の光量に調節して増幅率と光電子数を分けて測定する．

ADC 　counts

events

増幅率

平均光電子数

1 時間に一度　 20000 イベント　測定

200 kHz での測定では、レファレンス光電子増倍管２本共、入射光量が減少していることがわかり、出力電荷の補正を行

った。

10 Hz 100 Hz10 Hz

10 Hz

10 Hz500 kHz

500 kHz

200 kHz200 kHz

10 Hz 100 Hz10 Hz

10 Hz

10 Hz

500 kHz

200 kHz200 kHz

500 kHz

20%

20%

２００ kHZ での出力電荷の補正 測定された光量

補正後

光量の測定により、 200 kHz では光量自体が変動していることがわ

かった。

光量の変動を、変動を補正して光電子増倍管の出力変動を調べ

る。

現在の CDF 実験から予想される 200 kHz の入射頻度では、　高入射頻度での 10 % 程度の出力減少が見られ

るものの、　その後安定に動作することが解った。

10 Hz200 kHz

10 Hz

200 kHz

10 Hz 200 kHz

10 Hz200 kHz

10 Hz

10 Hz200 kHz 10 Hz10 Hz

200 kHz

10 Hz

Cor

rect

ed c

har

ge (

pC)

光電子数 =1000 , 増幅率 =105 CDF と同等の条件 補正前

TOF 測定器用光電子増倍管　出力電荷　１CDF と同等の条件

CDF の条件に対して　光量 10 倍　 増幅率 1/10 倍光電子数 =1000 , 増幅率 =105

•同条件で測定した２本とも、同じ様な変動を示した．

•高頻度　 0.5MHz では出力が　３０％程度出力が減少する .

•その減少は低頻度の測定で回復する .

•ダイノード間の台座への帯電が起こり、加速電場が歪められる .

•同条件で測定した２本とも、同じ様な変動を示した．•高頻度　 0.5MHz では出力が　７０％

程度出力が減少する .

•その減少は低頻度の測定でも元の出力までは回復しない .

•ダイノード間の台座への帯電が起こり、加速電場が歪められる .

•光電面などのダメージ .

予想原因

光電子数 =10000 , 増幅率 =104 10 Hz 100 Hz

10 Hz10 Hz

10 Hz500 kHz

500 kHz

200 kHz200 kHz 10 Hz

100 Hz10 Hz

10 Hz 10 Hz

500 kHz500 kHz

200 kHz200 kHz

TOF 検出器では　 30 　 % の出力の減少に対して　 7 % 分解能が落

ちる．

光電面のダメージ

予想原因

Cor

rect

ed c

har

ge (

pC)

Cor

rect

ed c

har

ge (

pC)

TOF 測定器用光電子増倍管　出力電荷　２

CDF の条件に対して　光量 1/2 倍　 増幅率 1/2 倍

CDF の条件に対して　光量 1/10 倍　 増幅率 10 倍

10 Hz 100 Hz10 Hz

10 Hz

10 Hz500 kHz

500 kHz

200 kHz

200 kHz

10 Hz 100 Hz10 Hz

10 Hz

10 Hz500 kHz

500 kHz

200 kHz200 kHz

光電子数 =100 , 増幅率 =10 ６ 光電子数 =500 , 増幅率 =5x104

•同条件の２本で、減少率が違った . 　 500 kHzで 40 % の減少のものと、 20% 程度の減少が見

られた．

•CDF と同等の条件での測定と同じ様な出力変動する。

ダイノードのダメージ 陽極電流が小さい時

•高頻度での出力減少と低頻度での回復はみられるものの、その変動率は小さい．

•ダイノードのダメージとして大きな変動は見られなかった．

•陽極電流を小さくしても、高頻度の出力減少がみられる．

Cor

rect

ed c

har

ge (

pC)

Cor

rect

ed c

har

ge (

pC)

まとめ•１０ヶ月に渡り TOF 測定器に用いられる光電子増倍管の長期安定性を測

定した。•その結果，低頻度 10 Hz では安定に動作していたものが，一年後の

CDF の条件である 0.5 MHz では 30 % 程度の出力の減少がみられ，その後の低頻度の測定で出力の回復が確認できた．

•現在の CDF の条件である 0.2 MHz では， 15 % 程度の出力の減少し，その後一定な出力が得られた．•実際の CDF 実験では時間タイミングと共に出力電荷も測定しているので , 30 % 程度の出力減少には対応できるが，もっと大きな光電子増倍管の出力減少が起きた場合は印加電圧の調節などを行う．

今後の予定•今後　出力減少の原因の解明などを行っていく .

レファレンス用光電子増倍管増幅率

光電子数

光電子数　　 Ref-1 / Ref-2

Ref-2 Ref-1

TOF 用光電子増倍管　CDF と同等の

条件

光量10 倍

増幅率1/10 倍

光量1/10 倍

増幅率10 倍

光量1/2 倍

増幅率1/2 倍

Cor

rect

ed c

ha

rge

(p

C)

Cor

rect

ed c

ha

rge

(p

C)

Cor

rect

ed c

ha

rge

(p

C)

Cor

rect

ed c

ha

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(p

C)

Cor

rect

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ha

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(p

C)

Cor

rect

ed c

ha

rge

(p

C)

Cor

rect

ed c

ha

rge

(p

C)

PEM 用光電子増倍管CDF と同等の

条件

光量10 倍

増幅率1 倍N.p.e =100

Gain=105

N.p.e =700Gain=105

２００ kHz での光量減少（光減衰器）

光減衰器　あり

光減衰器　なし

光量１

光量１ 光量２

光量２

CDF での　 TOF の安定性07/2002 - 07/2003/

30 % 減少（レート依存性のある　 Background や Preamplifier の　 baseline shift

込み）

分解能　 7 % 減ビーム輝度 2x1031 4x1031