PMTの性能評価及び水チェレンコフ光検出
長澤広武 西本卓真

目次

1. 実験の動機・最終目標
2. チェレンコフ光の説明
3. PMT・ゲインカーブ
4. PMT・1光電子測定
5. 水チェレンコフ光実験

目次

1. 実験の動機・最終目標
2. チェレンコフ光の説明
3. PMT・ゲインカーブ
4. PMT・1光電子測定
5. 水チェレンコフ光実験

●実験の動機
宇宙線研究の最先端で使用されているスーパーカミオカンデの実験原理の理解を深めたいと考えたから。

●実験の最終目標
スーパーカミオカンデで実際に使用されているPMTを用いて、ミニチュア版を製作し、チェレンコフ光を実際に測定すること。

スーパーカミオカンデの実験原理
出典 : http://www.hyper-k.org/cherenkov.html

目次

1. 実験の動機・最終目標
2. チェレンコフ光の説明
3. PMT・ゲインカーブ
4. PMT・1光電子測定
5. 水チェレンコフ光実験

●チェレンコフ光とはチェレンコフ光は、水中を走る荷電粒子の速度が光の速度より速くなると放出される光のこと。

●測定により分かること
光センサーから得られた光の量やリングの形、光の到達時間などから、ニュートリノのエネルギー、方向、種類などを決定出来る。

チェレンコフ光に関する物理量
引用 : http://lambda.phys.tohoku.ac.jp/~kobayash/4nen/files/GT04mar_Nonaka_ppt.pdf

目次

1. 実験の動機・最終目標
2. チェレンコフ光の説明
3. PMT・ゲインカーブa.

セットアップb.

実験結果・考察4. PMT・1光電子測定
5. 水チェレンコフ光実験

目次

1. 実験の動機・最終目標
2. チェレンコフ光の説明
3. PMT・ゲインカーブa.

セットアップb.

実験結果・考察4. PMT・1光電子測定
5. 水チェレンコフ光実験

PMT

セットアップ① (PMT)LED

PMTにかかる電圧と検出される信号のADC値の関係を調べることで、PMTの性能(増幅率)を相対評価。

暗箱内部のPMTと光源。固定したPMTの正面にLEDを設置した。

暗箱内部をブラックシートで覆い遮光した。
35cm

セットアップ① (PMT)PMTに光源以外の光が出来るだけ入らないようにするべく、暗箱とブラックシートで遮光した。

暗箱に加えて、ブラックシートを 4枚を上から被せることでさらに遮光した。
暗箱でPMTと光源を覆った。

セットアップ② (GATE)

Shaper Ampを通したPMTの信号

Gate GeneratorのDelay機能でPMTの信号がGATE内に入るように調整した。黄線
はパルスジェネレータの信号によって開かれたGATE信号、青線はShper Ampを通したPMTの信号。(Shaper Ampのゲインは20倍に設定。)
GATE信号

セットアップ③ (光源)
光源にはLEDを用い、パルスジェネレイ
ターでパルス信号をLEDに送り発光させた。PMTとの間に減光フィルターを設置。

LED

目次

1. 実験の動機・最終目標
2. チェレンコフ光の説明
3. PMT・ゲインカーブa.

セットアップb.

実験結果・考察4. PMT・1光電子測定
5. 水チェレンコフ光実験

測定結果 (状況I. 減光99.95%/Shaper AmpのGain=20/Pulsevolt=10)
状況I. Pedestal=150.811±1.9605

HV

Mean

Sigma

MEAN-Pedestal

Sigma

1800

13036

865.93→12885

865.93

1700

8395.5620.08→8244.7620.081600

5271.4404.50→5120.6404.51

1500

3217.8250.69→3067.0250.691400

1902.9149.26→

1752.1149.281300

1112.685.462→961.8085.4851200

653.3847.732→502.5747.772

1100

386.61

20.310→235.8020.4041000

252.91

18.238→102.1018.343※測定値はROOTでガウスフィッティングを行い、その Mean値を使った。
（このページ以降の実験でも同様に測定値を決定した。）

測定結果 (状況II. 減光95%/Shaper AmpのGain=20/Pulsevolt=10.8)
状況II. Pedestal=150.098±13.586

HV

MeanSigma

MEAN-Pedestal Sigma

MEANSigma

1000

13481

394.14 →13331

394.37 →102.1018.834900

6035.4208.76 →5885.3209.20 →45.0758.3622800

2839.4114.73 →2689.3115.54 →20.5973.8533700

961.3534.950 →811.2537.498 →6.2132

1.1672600

367.8819.370 →217.7923.660 →1.66800.3537

500

162.56

10.675 →12.45717.278 →0.095406

0.1335※状況Ⅰのセッティングだとノイズと区別出来なくなったため、減光フィルターと Pulsevoltを変え光量を状況Ⅰの 108倍にした。
※HV1000VのMean値を比較し、状況Ⅰだった場合の値を算出した。

（誤差伝播）状況I. 減光99.95%/Gain=2/Pulsevolt=10
誤差伝播の法則を用いて、ゲインカーブの測定において発生した誤差を計算した。

x: Meany : Pedestal
f(x,y)=(Mean)-(Pedestal)=x-y

HVの値によって光量を変化させ、それぞれ状況I、状況IIと呼ぶことにする。
状況II. 減光95%/Gain=20/Pulsevolt=10.8
x : Mean-Pedestal(状況I,HV=1000)y : Mean-Pedestal(状況II,HV=1000)z : Mean-Pedestal(状況II)f(x,y,z)={Mean-Pedestal(状況II)}×(倍率)=z×(x/y)
引用 : http://www.infra.kochi-tech.ac.jp/takagi/Survey1/3Error.pdf※倍率(=x/y)はHVの値によって変化しないものと考え、HV=1000の倍率を用いた。

ゲインカーブ・片対数グラフ

縦軸 : ADC

縦軸：ADC値、横軸：HVy=a*x**b+cでフィッティングすることにした。

図1 : ADCとHVの関係

横軸 : HV

縦軸 : ADC

直線になっている。

横軸 : HV

図2 : 図1の片対数グラフ

目次

1. 実験の動機・最終目標
2. チェレンコフ光の説明
3. PMT・ゲインカーブ
4. PMT・1光電子測定
a.
b.
c.

セットアップ
実験目的
実験結果・考察5. 水チェレンコフ光実験

目次

1. 実験の動機・最終目標
2. チェレンコフ光の説明
3. PMT・ゲインカーブ
4. PMT・1光電子測定
a.
b.
c.

セットアップ
実験目的
実験結果・考察5. 水チェレンコフ光実験

PMT

セットアップ (PMT)使用した回路はゲインカーブに実験と同じ。より大きいゲインに設定できるShaper Ampに取り替え、ノイズ対策としてPMTを固定していた白い発泡スチロールを暗幕で覆った。
Beforeゲイン 5×10^21800V

減光99.995%
出力Pulse=60ns

After

LED

セットアップ (LED)LED

減光されたLEDの光のみが入るように、LEDの周りも暗幕で覆った。

Beforeゲイン 5×10^21800V

減光99.995%
出力Pulse=60ns

After

目次

1. 実験の動機・最終目標
2. チェレンコフ光の説明
3. PMT・ゲインカーブ
4. PMT・1光電子測定
a.
b.
c.

セットアップ
実験目的
実験結果・考察5. 水チェレンコフ光実験

(参考) Gainの計算式●実験目的
1光電子を測定することで、使用しているPMTのGainを調べること。その実験結果を基にして水チェレンコフ光実験を行う●実験結果の予想
使用しているPMTの仕様書によると10^7程度になると予想される

電気素量×Gain×ShaperAmpのGain×光電子数=出力電圧/抵抗×時間幅1.

電気素量…1.60217*10(-19)

2.

Shaper AmpのGain…500

3.

光電子数…1とする(後述)4.

出力電圧…後述

5.

抵抗…50Ω

6.

時間幅…後述目次

1. 実験の動機・最終目標
2. チェレンコフ光の説明
3. PMT・ゲインカーブ
4. PMT・1光電子測定
a.
b.
c.

セットアップ
実験目的
実験結果・考察5. 水チェレンコフ光実験

1光電子測定 : 実験結果

(ⅰ) Pulsevolt=0V(ⅱ) Pulsevolt=3.0V

1光電子測定 : 実験結果

(ⅲ) Pulsevolt=4.0V(ⅳ) Pulsevolt=5.0V

1光電子測定 : 実験結果

(ⅴ) Pulsevolt=6.0V(ⅵ) Pulsevolt=6.9V

1光電子測定 : 実験結果
3つ目のピーク

左の図から以下の2点が分かる

縦軸：カウント数

2つ目のピーク（1光電子イベント）

1.

光量を変化させたときに2つ目のピークの山が動かない。

2.

光量を増やしていくと3つ目のピークの山が現れ、それが整数倍ぐらいの値になっている。

横軸：ADC(ⅳ) Pulsevolt=4.0V
Pulsevolt=5.0V
(ⅲ)
(ⅴ)
(ⅱ)
(ⅵ)
Pulsevolt=6.0V
Pulsevolt=3.0V
Pulsevolt=6.9V

以上より、2つ目のピークの山が1光電子イベントであると推察出来る

1光電子測定 : 実験結果
縦軸：ADC

二つ目の山のピーク⇨位置がほとんど変化していないことが読み取れる。

Pedestal（一つ目の山のピークを使った。）

横軸：Pulsevolt

1光電子測定 : オシロスコープ

Shaper Ampを通したPMTの信号

上の図は抵抗50Ωのときの出力波形。ここから、ゲインを計算するときの時間幅を1.6μsとした。

1光電子測定 : Calibration(ⅰ)Calibrationをするためにパルスジェネレイ
ターで2V(Pulsevolt=4.0V/Offset=2.0V)のパルス波を出力し、PHADCに読み込ませた。 (表2)(ⅱ)ADC値は既知より (✴)式からVOLTを計算する
Pulsevolt

ADC=6130.7×VOLT (※pedestal考慮)‥‥(✴)

0v

adc-ped(adc-ped)→ｖ--

3.0v

193.810.031613

4.0v

194.970.0318025.0v

198.440.032368

6.0v

199.260.0325016.9v

213.040.034749

1光電子測定：PMTのGainの算出

Pulsevolt

Pedestal

Sigma(ped) mean1Sigma(adc) Gain0v

545.022.0609---3.0v

544.642.5566738.4577.862 1.2628E+07

4.0v

544.612.5795739.5782.869 1.2703E+07

5.0v

544.622.6123743.0692.310 1.2930E+07

6.0v

544.762.6582744.01104.62 1.2983E+07

6.9v

545.242.7591758.2890.713 1.3881E+07

目次

1. 実験の動機・最終目標
2. チェレンコフ光の説明
3. PMT・ゲインカーブ
4. PMT・1光電子測定
5. 水チェレンコフ光実験
a. セットアップ
b. 実験結果・考察

目次

1. 実験の動機・最終目標
2. チェレンコフ光の説明
3. PMT・ゲインカーブ
4. PMT・1光電子測定
5. 水チェレンコフ光実験
a. セットアップ
b. 実験結果・考察セットアップ①(タンク)800mm×640mm×580mmの水タンクを使用。反射率を向上させるために内側にタイベックシートをセメダインで2重に貼った。

水を入れる前水を入れた様子。

PMTを入れるときの様子。水を入れたタンクの蓋に PMTを取り付けた。

水チェレンコフ検出器の様子。水を入れたタンクの蓋にPMTを取り付け、全体を暗幕で覆い遮光した。

セットアップ②(コインシデンス)
シンチレータと水タンクでコインシデンスをとることで、検出信号が宇宙線由来であることを確認。

シンチレータとPMT

P6部屋に転がっていたシンチレータを使用。

台車に乗せた水タンクの下にシンチレータを置いてコインシデンスをとった。縦に降ってくる宇宙線に反応。

セットアップ②(コインシデンス)

水タンクのPMTからの信号

水タンクのPMTと、タンクの下に設置したPMTでコインシデンスをとった。

シンチレータからの信号（ともに threshold = -100mV）

HV=1200V

HV=1400V

Shaper Ampを通した水タンクPMTからの信号

コインシデンスによって開かれた
GATE信号

目次

1. 実験の動機・最終目標
2. チェレンコフ光の説明
3. PMT・ゲインカーブ
4. PMT・1光電子測定
5. 水チェレンコフ光実験
a. セットアップ
b. 実験結果・考察

実験結果 : ヒストグラム表示
1.測定期間 : 2/13 1:01~2/16 23:30
2.測定回数 : 連続した50万回測定(1回の測定で約 1h)※備考：同じ数値がかなり連続していたので、 uniqコマンドで除去した。

対数表示ではピークに続く長い尾が確認できる。

タンク内で発光したチェレンコフ光の山
対数表示

2/16の全データ

2/16の全データ(対数表示)

実験考察
検出されたチェレンコフ光のADC値と1200Vでのゲインから、検出光子数を計算。

日付どれくらいの明るさだったのかを数字で表示してみる。
→1800Vでゲイン＝1.2*10^7ぐらい。
(1p.e.実験より）→ゲインカーブから1200Vのときのゲインを計算。(ゲインカーブ実験より)

mean(adc)→ｖ

光電子数

2/13

1371.70.22374 5.4977E+03

2/141345.10.21940 5.3910E+03

2/15

1318.80.21512 5.2858E+03

2/16

1312.50.21408 5.2604E+03

代入する値
時間幅
Shaper's Gain
電気素量
抵抗1.00E-06 Gainの平均値

1.3025E+0710 Gainの変換率0.039004

1.60E-19 Gain(1200V)

5.0803E+0550

実験結果 : 光電子数

時間が経過するにつれて検出光電子数が減少した。

実験考察
光電子数の減少→タンク内で発光しているチェレンコフ光の光量が減ったと推察。
要因① : 水が汚くなった→測定を始める前の水タンクの写真がないために比較できないが、記憶の限りだとそこまで水が汚くなっているとは思えない。
要因② : 水量の減少→タンク内は完全に密閉されているので、蒸発の影響は小さいと考えられる。水漏れもなし。
要因③ : タイベックシート・セメダインの劣化→劣化により、反射率が低下した可能性。水を入れる前と測定後で比較すると白さは若干失われている。

Before(水を入れる前 )After(測定後)実験結果 : 検出数及びmean

日付

検出数

mean

sigma

2/13

2.41171371.7

198.762/14

2.42491345.1184.93

2/152.4740

1318.8194.11

2/162.4639

1312.5169.24

実験結果 : 検出数及びmean

実験条件 : 気温,日照時間,降水量,現地気圧

出典 : https://www.jma.go.jp/jma/index.html

実験結果 : 検出数及びmean

検出数と気象条件に目立った相関は見られなかった。

謝辞

ご静聴ありがとうございました。
高田先生、藤井先生、津田さんには実験装置の操作の説明や実験方針の決め方など様々な面でお世話になりました。この場を借りて感謝申し上げます。