中国科学院“核探测技术与核电子学”重点实验室

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1 中国科学院“核探测技术与核电子学”重点实验室
高时间分辨T0用PMT性能测试研究 钱森 中国科学院“核探测技术与核电子学”重点实验室 中国科学院高能物理研究所 2010年 8月15日 2010年全国核电子学与核探测技术学术年会 贵阳.中国

2 付在伟博士生，宁哲博士生，王志刚博士，刘曙东工程师，等；
大 纲 研究背景介绍； 高精度VME性能测试系统； PMT单光子谱性能研究； 通过SPE修正PMT时间分辨； 实验结果； 本报告代表以下研究人员工作： 付在伟博士生，宁哲博士生，王志刚博士，刘曙东工程师，等；

3 研究背景介绍： 高精度VME性能测试系统； PMT单光子谱性能研究； 通过SPE修正PMT时间分辨； 实验结果；
BESⅢ E-TOF升级方案介绍； 束流实验用T0系统介绍； 如何开发高精度T0系统？ 高精度VME性能测试系统； PMT单光子谱性能研究； 通过SPE修正PMT时间分辨； 实验结果；

4 BESⅢ E-TOF升级方案介绍 桶部TOF的性能是世界上同类TOF探测器中性能最好的TOF，端盖ＴＯＦ较大的升级空间！
BESⅢ TOF设计指标和目前的性能指标 Muon Pi electron Barrel : Design / Current 90ps / 76ps 105ps / 90ps ？/ 79ps Endcap : Design / Current 110ps / 96ps 138ps / 131ps ？/ 136ps 桶部TOF的性能是世界上同类TOF探测器中性能最好的TOF，端盖ＴＯＦ较大的升级空间！ 性能指标：MRPC本征时间分辨＜50ps

5 束流实验用T0系统介绍-- --BESⅢ-TOF-R&D-beam test T0系统
PMT：H6533； Scintillator：BC420； QDC：2249A（250 pC）； TDC： （250 ps）； Time Resolution；76ps

6 束流实验用T0系统介绍-- --MICE upstream time-of-flight system
linear focussed PMTs R4998, typical gain G ∼ 5.7×106 at B=0 Gauss, risetime 0.7 ns, TTS ∼ 160ps, equipped with active/passive divider 。 a mu-metal shield extending 3 cm in front of the photocathode (H6533 assemblies) PMT：H6533； Scintillator：BC420； QDC：V1724 (Flash ADC)； TDC：V1290 (25ps)； Time Resolution 45ps； Copy from：《The design and commissioning of the MICE upstream time-of-flight system》-- INFN/AE-10/1 ，22 Gennaio 2010

7 束流实验用T0系统介绍-- --MRPC Beam test system
束流实验目标： 利用BEPC现有的能够提供特定动量单粒子束流的试验束800MeV 试验束E3束，建立时间分辨小于40ps的束流测试系统； 搭建的束流测试系统包括 ①起始时间（T0）探测器， ②位置灵敏探测器， ③触发系统， ④数据获取系统， ⑤高压系统， ⑥气体系统， ⑦二维位置自动移动平台。

8 可能的答案： 如何开发高精度T0系统？ 相同的塑闪BC420； 近乎相同的几何布局； 近乎相同的数据分析方法；
为何相同的PMT-H6533；获得的时间分辨不同？？ 可能的答案： PMT实际工作性能差异？ 数据获取电子学精度不同？ 延时电缆对信号的衰减和畸变？ 数据处理cut条件不同？ …… 通过SPE谱研究PMT性能， 找到其最佳的工作状态点； 搭建高精度VME性能测试系统；

9 如何开发高精度T0系统？ T0系统中与PMT耦合的塑料闪烁体BC420的几何尺寸为：厚度为5mm 参考时间----与入射位置是否有关系？
T0刻度----是否需要T-A，T-P修正？ RPC刻度----与l有关，需做T-A， T-P修正 ；----(斜入射时， L与角度有关， T-theta 修正) T0系统中与PMT耦合的塑料闪烁体BC420的几何尺寸为：厚度为5mm

10 研究背景介绍： 高精度VME性能测试系统； 硬件系统； 软件开发； PMT单光子谱性能研究； 通过SPE修正PMT时间分辨； 实验结果；

11 硬件系统--------高精度VME性能测试系统
接口控制：V1718_USB_Bridge； V2718_PCI_ Bridge； Q测量单元：V965（25fC，dual range）； V785N（ADC）； V792N（QDC） T测量单元：V775N(35ps); V1290N（25ps，multihit） 高压控制：V200 计数单元：V560N 可以获得的测试数据信息： 1. 典型的单光子电荷谱SPE； 2. PMT绝对增益曲线； 3. SPE-Q谱的峰谷比； 4. SPE-Q谱的分辨率； 4. SPE-Q谱的分辨率； 5. PMT测试SPE-Q谱最佳工作高压； 6. PMT信号上升时间/下降时间测试； 7. SPE-T谱的时间分辨；

12 软件开发--------高精度VME性能测试系统
软件：LabVIEW + ROOT + MySQL： 1。硬件底层驱动：使用CAEN公司提供的USB-1718Bridge；PCI-1728Bridge的驱动 2。软件底层驱动：封装功能函数子VI模块，目标可移植性强。 3。用户界面：针对不同用户取数需求，组合使用各种功能模块实现不同取数需求； 4。第三方硬件集成：高压系统（SY127，SY1527）；环境温湿度监测模块；示波器数据传输； PMT性能测试系统示意图 软件逻辑流程图 软件取数界面

13 PMT单光子谱性能研究； 研究背景介绍： 高精度VME性能测试系统； 通过SPE修正PMT时间分辨； 实验结果； 如何获取PMT的SPE谱；
SPE-Q谱的峰谷比、能量分辨率 PMT测试SPE-Q谱最佳工作高压； 通过SPE修正PMT时间分辨； 实验结果；

14 如何获取PMT的SPE谱 ----SPE谱定义
通常情况下，光子入射到光阴极产生的光电子，经过打拿极倍增后符合Poisson分布[1]，其中μ是被第一打拿极收集到的平均光电子数。 调节pulser的驱动LED的强度，使得QDC在大约90%的时间里测得的是电子学的台阶，此时出现单光电子的几率约为9.5%，单光电子和多光电子出现的概率比为： 由此，测量高于台阶的计数绝大部分是单光电子信号。当统计数目较大时，Poisson分布可近似成Gauss分布，可以用Gauss函数进行拟合[2]。 资料来源：[1]. Single Photoelectron Spectra Analysis for the Metal Dynode Photomultiplier. ATL-TILECAL [2]. Study of 8"PMTs at UCLA For Pierre-Auger Surface Detectors.UCLA-Cosmic/2000-3

15 η =2.532@Nsignal/Ntotal=10.1% @HV=2500V
如何获取PMT的SPE谱 ----调整LED光强获得GDB60的SPE 1) 减小LED光强到光电子峰不再左移； 2) 调节LED至大于pedestal的信号出现的比例约为10% 用两个Gauss函数相加拟合的单光电子峰，bkg_pi0和pi0分别是台阶和单光电子峰的中心值，bkg_sigma和sigma分别表征台阶和单光电子峰的宽度。nbkg和nsig分别是台阶和信号的计数。 其中单光电子信号占总信号的比例η为：

16 PMT绝对增益曲线 QDC每道对应为25fC，所以增益Gain： PMT增益与高压的变化关系曲线 高压为1900V时的单光电子谱
Hamamastu给出的H6533典型增益就在106左右。 改变高压测试SPE，可得增益(Gain)和高压(Hv)的关系曲线，可以发现HV在1750V到2000V之间增益随高压线性分布较为均匀。 不同高压时测试得到的单光电子谱

17 SPE-Q谱的峰谷比、能量分辨率 1.在单光电子谱中，漏电流等高斯分布的噪声是构成单光电子谱中平台的主要成分，而热电子、发射光源本身的噪声构成指数分布的噪声；高斯平台越窄或者指数分布的噪声越低，峰谷比就越大，PMT的信噪比就越好，因此峰谷比在一定程度上代表光电倍增管噪声水平。 2.通过计算不同高压下的SPE-Q谱的分辨率，在其取最小值时，对应的工作高压为PMT测试单光电子谱时的最佳工作高压。

18 PMT测试SPE-Q谱最佳工作高压 SPE-Q谱的工作高压： HV增大，增益高；分辨率降低； Gain VS Sigma 两相平衡点：

19 研究背景介绍： 高精度VME性能测试系统； PMT单光子谱性能研究； 通过SPE修正PMT时间分辨； 原理介绍； 实例介绍； 实验结果；

20 原理介绍 当多光子统计量足够的情况下，多光子对应的系统时间分辨将优于单光子的时间分辨。但由于测量装置将多光子过程压制的比较低，为数不多的多光子数据会带来较大的统计误差。 为改进的T0的时间分辨，我们将在所获取的时间数据中尽可能剔除为数不多的多光子数据，降低测试数据的统计误差。 VME数据获取采用CBLT读数模式，保证时间数据T和电荷量测试数据Q完成事例对齐。 在3σ范围内对QDC数据用Gauss函数进行拟合，得到总的时间分辨σtotal。 对此PMT获取的Q谱，按照文献[1,2]所述方法进行反卷积，得到其多光子对应的谱。 资料来源：[1]. E.H.Bellamy, G.Bellettini etc. Nucl. Instr. and Meth. A339(1994) [2]. 孟祥承等, 光电倍增管的光电子幅度谱测试研究, 核电子学与探测技术, 2005年 06期.

21 实例介绍 规定单光子谱和双光子谱的交点是两个不同光子过程的分界，分别对应单光子过程和双光子幅度对应的数据，由此挑选出单光子和双光子对应的时间数据，并用Gauss函数在拟合可分别得到：单光子对应的时间分辨σ1pe (如左下图)；双光子对应的时间分辨σ2pe (右下图)。 以上三组数据的时间分辨均包含了LED和电子学的时间晃动。σ1pe相比于σtotal改善了约为一个QDC道值（1channel=25ps）的时间分辨，约为5%；同时，可以看到σ1pe优于σ2pe。 在单个入射粒子占绝大多数的情形下，双光子的统计量不足，会影响时间分辨的统计误差；

22 实验结果； 研究背景介绍： 高精度VME性能测试系统； PMT单光子谱性能研究； 通过SPE修正PMT时间分辨； 宇宙线测试结果；
束流测试结果；

23 宇宙线测试结果 PMT：H6533； Scintillator：BC420； QDC：V965 (25fC)；
TDC：V1290 (25ps)； Time Resolution:41.6ps

24 经过T-A修正，在P+（625MeV）情况下：1.56*25ps = 39ps
束流实验结果 经过T-A修正，在P+（625MeV）情况下：1.56*25ps = 39ps

25 Thanks for your attention!
The End！ Thanks for your attention!

26 H6533