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MEG 実験用液体 Xeγ 線検出器用光電子増倍管についてⅡ

　　　　　　　　　　　　　山口敦史

早大理工総研 , 東大素粒子セ A, 高エネ研 B, BINP-NovosibirskC, INFN-PisaD, PSIE

岩本敏幸 ,A 内山雄祐 A, 大谷航 A, 小曽根健嗣 A, 菊池順 , 古田島拓也 , 澤田龍 A, 鈴木聡 , 寺沢和洋 , 名取寛顕 A, 西口創 A, 春山富義 B, 久松康子 A, 真木晶弘 B, 三原智 A, 森俊則 A, 山下了 A, 山田秀衛 A, A.A.GrebenukC, D.GrigorievC, Y.YuriC, D.NicoloD, S.RittE, G.SignorelliE

CONTENTS

Bleeder 回路について Zener diode について PMT(with Zener diode) test まとめ

Bleeder 回路についてMEG 実験で用いられる PMT の Bleeder 回路パーツには　・液体 Xe 中（ ~165K ）での安定した動作　・液体 Xe 中に不純物を放出しないことが必要とされる

実装以前に単体での動作検証を行った（液体窒素中で抵抗値、コンデンサーの電気容量を測定し、耐圧についても試験）

ケーブル：液体 Xe を汚さず、かつ熱の流入を防ぐことが必要　・テフロンジャケットで覆う　・極力細いものを使用

液体 Xe 中で PMT を用いるため、発熱量を抑えることが求められる　　　　　発熱量を抑えるために、抵抗値の高い Bleeder 抵抗を使用 (14.2MΩ)（ PMT に 1kV 印加したとき： ~70mW ）cf. 一般的な PMT の bleeder 回路抵抗 : 2~3MΩ

Bleeder 回路について

1μA横軸： number of photoelectron per sec縦軸： [alpha peak w/ BG] / [alpha peak w/o BG]

これまでの MEG PMT Bleeder 回路ではHigh rate background （ ~1μA ）によって PMT 出力の直線性が失われることが確認された （このときの Bleeder 回路電流： ~60μA ）

Bleeder 回路に流れる電流の不足⇒ 後段ダイノードでの電圧降下が生じ、その　　 低下分が他ダイノード間に分配される形とな　　り、感度 (gain) が見かけ上大きくなる

R1 : 2MΩR2-12 : 1MΩR13 : 1.2MΩ

Bleeder 回路について

Neutron ， muon radiative decay等による MEG 実験の background level　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 ： ～2μA(107p.e/sec) と見積もられた (T.Iwamoto : 27aSB-6 , Y.Hisamatsu : 29aSB-3)

⇒ より PMT に high rate background 下での耐性を持たせることが必要

High rate background 下で PMT の出力直線性を改善するには？　　　光電流が流れた場合のダイノード間電圧変化を最小にすることが必

要

① Bleeder 回路電流を増加させ、 Bleeder 回路電流に対する平均陽極電流の比を小さくする

② 終段付近に Zener diode を使用し、電極間の電圧を安定させる③ 陽極付近のダイノード数段に外部の別電源から直接電圧を供給する

（ブースタ方式）などの方法が挙げられる

Bleeder 回路について

MEG PMT(final design)bleeder 回路では後段ダイノードでの電圧低下を防ぐととも、 Bleeder 回路での発熱量を抑えるために Zener diode を入れる

⇒ 　 High rate background 耐性の向上が期待される

NEC RD68S 　 RD82S

R1 : 2MΩR2-12 :1MΩR13 : 1.2MΩ

R1 : 2MΩR2-11 : 1MΩR12,13 : 2MΩ

Zener Diode 低ノイズ Zener diode (recommended by HPK) プラスチックパッケージ 電気的特性 (T=25°C)

Type Zener 電圧 [V] Min Zener 電圧 [V]Max

温度係数 .[mV/°C]

RD68S

64.00 72.00 ~70

RD82S

77.00 87.00 ~83

Zener diode

低温中での Zener diode の電気的特性NEC Zener diode の電気的特性を常温、ならびに Liq.N2 中で測定

Set up:

NEC RD68S, 82Sそれぞれ２個のサンプルについて測定

測定結果低温中で機械的な損傷がない⇒ Liq.Xe 中使用可能低温中においても、 Zener 電圧の立ち上がり特性が sharp であるZener 電圧が ~13V 低下⇒ Reasonable (温度係数 )

Measured by Hiroaki NATORI

PMT(with Zener diode) test @ Liq.Xe

Xe タンク

純化装置 (Oxisorb)

PMT Test facility @Univ. of Tokyo

チェンバー

液化時の Xe の流れ回収時の Xe の流れ

Xeタンク 純化装置 チェンバー

PMT(with Zener diode) testCondition & Procedure

PMT(final version) :HV 900V , 1*107 gaincurrent @ zener diodeR68S ~38microA R82S ~32microA

Alpha event DAQ (without BG ) Alpha event DAQ (with BG)

(Rate dependence Test)

Experimental setup

PMT には、 zener diode が充分 zener領域に入る電圧を印加し、 LEDを BG源として alpha event の DAQを行った

PMT(with Zener diode) testgain calibration

Gain(LED を使用して calibration)

200

2

2

)( σσ

σ

MMc

eg

eM

cg

g: gainc: ADC least countσ: standard deviationM: mean of ADC spectrume: elementary electric charge

PMT(with Zener diode)test結果@ Liq.Xe

Rate Dependence Test 　　　　　 1*107gain

5 [μA] Back Ground まで安定した出力 (1%)

Background level 1μA

Alpha @B.G. ON/ Alpha @B.G. OFF

まとめ

低温中で Zener diode が動作することが確認された 低温中において Zener diode の電気的特性が測定された PMT(with Zener diode) において、 background が 5μAま

では安定した出力が得られ、 MEG 実験においても安定した出力を得ることが期待される

今後の予定 Large prototype に PMT(2nd version)および、 PMT(final v

ersion) を入れ（作業済）、 PSIでの Beam test を行う予定である