Aufbau eines Teststandes zur Charakterisierung von PMTs in

Aufbau eines Teststandes zur Charakterisierung von
PMTs in magnetischen Feldern
Construction of a test setup for the characterization of PMTs in magnetic
elds
von
Bosse Bein
geboren am:
02. September 1992
Bachelor-Arbeit an der Universität Hamburg
Institut für Experimentalphysik
April 2016
1. Gutachterin: Prof. Dr. Caren Hagner
2. Gutachter: Dr. Björn Wonsak
Zusammenfassung
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung des Teststandes
zur Kalibrierung 20" groÿer PMTs. Dies war vorher an der Universität Hamburg
nicht möglich. Der Teststand verfügt über eine Abschirmmöglichkeit gegen das
Erdmagnetfeld. Anhand von der Bewegungsgleichung eines freien Elektrons wird
die Notwendigkeit dieser Abschirmung für das JUNO-Projekt erläutert. Die Inbetriebnahme eines vorhandenen Teststandes und Überprüfung seiner Elektronik,
sowie die Auswertung der Abschirmung des neu entwickelten Teststandes von einem externen Magnetfeld wurde durchgeführt. Erste Ergebnisse zeigen, dass eine
Feldstärke erreicht wurde, die dem dreifachen des Erdmagnetfeldes entspricht. Ein
Ausblick auf noch nicht umgesetzte Vorhaben für den neuen Teststand wird gegeben.
Abstract
The present thesis deals with the construction of the test setup for the calibration of 20" PMTs, which previously was not possible in labs of the University of
Hamburg. This test setup comes with a shielding mechanism against the earth magnetic eld. The equation of motion of a free electron demonstrates the necessity
for such a shielding in the JUNO-experiment. The commissioning of a present test
setup, the verication of its electronics as well as the evaluation of the shielding
mechanism of the new test setup against outer magnetic elds is performed. Initial
results show that a eld strength is reached which is three times greater than the
earth eld strength. An Outlook for not yet implemented plans to extend the new
test setup is given.
Inhaltsverzeichnis
Einleitung
1
1 Motivation: Neutrinophysik
3
1.1
Neutrinooszillation
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
1.2
Das JUNO-Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
1.3
Hamburger Beteiligung an JUNO
8
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2 PMT Grundlagen
11
2.1
Funktionsweise von PMTs
2.2
Einzelphotonennachweis
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
2.2.1
Untergrund
2.2.2
Verteilung der SPE und MPE
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
2.3
PMTs in Magnetfeldern
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
2.4
Magnetfeldabschirmung
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
µ-Metall
2.4.1
Passive Abschirmung:
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
2.4.2
Aktive Abschirmung: Magnetfeld einer Spule . . . . . . . . . . . .
21
3 Konzeption der Teststände
3.1
3.2
3.3
25
Optischer Teststand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25
Magnetischer Teststand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27
3.2.1
Verschaltung der Spule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
Elektronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
3.3.1
Verwendete Komponenten
3.3.2
Analog Digital Wandler
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
3.3.3
Photonenquellen
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32
4 Charakterisierung des Teststandes
35
4.1
Vermessung der LED-Spektren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2
Untersuchung der Verstärkereigenschaften
4.3
Untersuchung vorliegender Magnetfelder
35
. . . . . . . . . . . . . . . . .
37
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
4.3.1
Die Magnetsonden
4.3.2
Charakterisierung der Spule des magnetischen Teststandes
. . . .
44
4.3.3
Magnefeld des 'Moving Head' als Lichtquelle . . . . . . . . . . . .
47
Inhaltsverzeichnis
4.4
4.5
Charakterisierung der Photonenquelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52
4.4.1
Aufbereitung der Daten
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52
4.4.2
Auswertungsverfahren
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53
4.4.3
Anwendung des Verfahrens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
54
Aktuelle Entwicklungen im Labor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
59
5 Ausblick und Zusammenfassung
63
5.1
Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
63
5.2
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
65
Abbildungsverzeichnis
67
Literaturverzeichnis
69
Danksagung
71
Elektronikanhang
73
Einleitung
In dieser Bachelorarbeit wird die Inbetriebnahme und der Aufbau eines Teststandes zur
Vermessung von PMTs ohne die Einussnahme von externen Magnetfeldern beschrieben.
Im Hinblick auf die Neutrinophysik dient das JUNO-Experiment als Motivation für
diese Arbeit. JUNO ist ein in China geplanter Kernreaktor-Neutrinodetektor, um die
ungeklärte Fragen nach der Massenordnung der Neutrinomasseneigenzustände zu klären.
Dabei werden die Oszillationen der
νe ,
die in der Kernspaltung entstehen, untersucht.
Hierfür wird der Detektor in einem Abstand zu zwei Kernkraftwerken konstruiert, der für
diesen Nachweis am besten geeignet ist, da hier die Unterschiede im Oszillationsverhalten
am maximalsten sind. Der Detektor wird mit über 17000 20" (ca. 50 cm im Durchmesser)
PMTs (photomultiplier tubes) bestückt, um den Anforderung gerecht zu werden. Die
17000 PMTs des zentralen Detektors und die 1500 Veto-PMTs müssen vor ihrem Einbau
einzeln charakterisiert werden. Hierfür ist ein Teststandsystem in vier Containern in
Planung, daran beteiligen sich die Universität Tübingen und Hamburg. Der für diese
Arbeit aufgebaute Teststand wurde für Testmessungen, die dem Aufbau der Container
helfen sollen, entwickelt. Da die verwendeten 20" PMTs eine Anfälligkeit für externe
Magnetfelder aufweisen, müssen sie vom Erdmagnetfeld abgeschirmt werden. Es gibt
zwei Möglichkeiten der Abschirmung: eine aktive und eine passive, wobei die aktive im
Teststand ihre Anwendung ndet und die passive in den Container eingebaut wird. Bei
der aktiven Abschirmung handelt es sich um eine Elektrospule, die in der Lage ist, das
Erdmagnetfeld zu kompensieren.
Es werden die Schwierigkeiten mit den Sonden bei der Vermessung dieser magnetischen Felder, die bei der Bestimmung einer magnetischen Flussdichte auftreten, erläutert. Bei dieser Vermessung wird die Linearität und Homogenität der Spule untersucht.
Des Weiteren wurden die magnetischen Felder eines Roboterkopfes, für einen weiteren Ausbau des Teststandes, zur punktuellen Ausleuchtung des PMTs, ermittelt. Eine
Überprüfung der verwendeten Verstärker in der Teststand-Elektronik wird vorgenommen. Dabei werden die drei für den Teststand am besten geeigneten Verstärker vorgestellt. Eine Auswertung von PMT-Signalen im Hinblick auf die Unterscheidung von
single photoelectron (SPE) und multiple photoelektrons (MPE) (deutsch: einfach und
mehrfach Photoelektronen) wird erst allgemein und dann anhand eines Beispiels durchgeführt.
1
Inhaltsverzeichnis
Struktur der Arbeit
Im ersten Kapitel dieser Arbeit wird die Motivation des JUNO-Experimentes und der
Hamburger Beteiligung an der Kollaboration erläutert. Im zweiten Kapitel erfolgt eine
Einführung in die für den Aufbau nötige PMT-Physik. Diese wird durch für die Auswertung relevanter Modelle ergänzt. Anschlieÿend werden in Kapitel 3 die zwei Teststände
in ihrem aktuellen Zustand beschrieben und die verwendete Elektronik dokumentiert.
Kapitel 4 widmet sich der Charakterisierung des Teststandes. Beendet wird die Arbeit
in Kapitel 5 mit einem Ausblick auf noch folgende Arbeiten am neuen Teststand und
einer Zusammenfassung der Ergebnisse.
2
1 Motivation: Neutrinophysik
Dieses Kapitel gibt einen kurzen Überblick über den JUNO conceptual design report,
Stand September 2015.
Im heutigen Standardmodell der Teilchenphysik liegen die drei Leptonengenerationen
e, µ, und τ vor. Bestehend aus dem geladenen Lepton, den drei zugehörigen Neutrinos
νe , νµ , und ντ und deren jeweilige Antiteilchen. Das Standardmodell sagt voraus, dass
die Neutrinos masselos seien. Jedoch wurde in den 1990er Jahren durch Oszillationsexperimente (z.B. das Homestake-Experiment in South Dakota [1]) geschlussfolgert, dass sie
eine sich von Null unterscheidende Masse haben müssen.
1.1 Neutrinooszillation
Die geladenen Leptonen lassen sich indirekt durch ihre Masse in drei Generationen aufteilen (e,
µ, τ),
sodass diese Teilchen durch ihre Masseneigenzustände beschrieben wer-
den können. Neutrinos können durch Reaktionen ihrer Flavoureigenzustände indirekt
detektiert und den Leptonengenerationen zugeordnet werden. Ein Neutrino, das zum
Beispiel bei einer Reaktion mit einem
e entsteht, erhält den Eigenzustand νe . Jedoch ist
der Flavoureigenzustand nicht gleich dem Masseneigenzustand, sondern entspricht einer
Mischung der Masseneigenzustände
ν1 , ν2 , ν3 , die über die folgende Matrixschreibweise
mit den Flavoureigenzuständen verknüpft sind [2] [3] [4]:

 
νe
Ue1
νµ  = Uµ1
ντ
Uτ 1
|
Hierbei ist
νi
Ue2
Uµ2
Uτ 2
{z
U
  
ν1
Uµ3  · ν2 
ν3
Uτ 3
}
Ue3
der Masseneigenzustand zur Masse
mi
(1.1)
für i=1,2,3 der beobachteten Neu-
trinos.
3
1 Motivation: Neutrinophysik
Betrachtet man nun drei Neutrinos
νe , νµ , ντ
und nimmt an die
3 × 3 -Mischungsmatrix
sei unitär, so lässt sie sich die sogenannte Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata-Matrix
(PMNS-Matrix) wie folgt darstellen:

 
1
0
0
c13
U = 0 c23 s23  ·  0
0 −s23 c23
−s13 eiδ
{z
} |
|
Solar
Hier steht
winkel.
Pν
=
sij
 

0 s13 e−iδ
c12 s12 0
1
0  · −s12 c12 0 ·Pν
0
c13
0
0 1
{z
} |
{z
}
Reaktor
für sin(θij ) und
cij
(1.2)
Kosmisch
für cos(θij ) mit
ij = 12, 13, 23
und
θ
als Mischungs-
δ
ist im Falle der CP-verletzenden Oszillation von Null verschieden. Die Matrix
iρ iσ
Diag{e , e , 1} enthält die zwei Majoranaphasen ρ und σ. Sollten Neutrinos Ma-
joranateilchen (gleichzeitig Teilchen und Antiteilchen) sein, sind diese ebenfalls ungleich
Null. Diese Phasen sind für die Oszillation jedoch unbedeutend. Für die Oszillationswahrscheinlichkeit eines Antielektronneutrinos
νe → νe
mit der Energie E und dem
Abstand L zum Ursprung der erzeugenden Reaktion des Antielektronneutrinos gilt nach
[3]:
∆m21 2 L
P = (νe → νe ) =1 − s (2θ12 )c13 s
4E
∆m31 2 L
∆m32 2 L
2
2 2
2 2
− s (2θ13 c12 s
+ s12 s
4E
4E
2
4 2
(1.3)
2
2
2
die Mischungswinkel der PMNS-Matrix und ∆mij = mi − mj die qua2
2
2
dratischen Massendierenzen. Bisher wurde ∆m12 ∆m13 ≈ ∆m23 gemessen. Das
2
Vorzeichen von ∆m13 ist bisher unbekannt, sodass sich zwei mögliche Massenordnungen
Dabei sind
θij
ergeben:
In der normalen Ordnung (eng.: NH = normal hirarchy) ist der dritte Masseneigenzustand (ν3 ) gröÿer als die beiden anderen. In der invertierten Ordnung (eng.: IH = inverted
hirarchy) ist dieser kleiner (siehe dazu Abbildung 1.1).
In Abbildung 1.2 ist ein Plot zu sehen, der diese Zusammenhänge weiterführend veranschaulicht. Das Spektrum der Neutrinoenergie in einem Detektor in 60 km Entfernung zu
einem Kernkraftwerk ist aufgetragen. Die Wahrscheinlichkeit ein Neutrino mit der Energie E zu beobachten ist in abhängigkeit von der Distanz zum Reaktionsursprung der
Erzeugung pro Energie des Neutrinos dargestellt. Dort lassen sich die Unterschiede der
beiden Ordnungen in ihrer Nachweiswahrscheinlichkeit in Abhängigkeit von
nen. Ein Maximum stellt sich ungefähr bei 10.5
/
km
MeV
/
L
E
erken-
ein.
Diese Zusammenhänge der Oszillation und der Neutrinomassen stellen den aktuellen Status unserer Erkenntnisse dar. JUNO wird diesen Status erweitern können.
4
1.2 Das JUNO-Experiment
Abbildung 1.1: Massenordnung für die drei Neutrinos, normale Ordnung für ein schwereres
ν3
und invertierte Ordnung für ein leichteres
ν3 . Die absoluten Massen sind bis
jetzt unbestimmt [5].
1.2 Das JUNO-Experiment
Das sich seit 2008 in Planung bendliche JUNO (Jiangmen Underground Neutrino Observatory)-Experiment soll bis 2020 einsatzbereit sein und mit den ersten Messungen
beginnen. JUNO bendet sich nahe dem Ort Jiangmen in China, in jeweils ca. 53 km
Entfernung zu zwei Kernkraftwerken in Yangjiang und Taishan. Eine Übersichtskarte
mit den beiden Kernkraftwerken, JUNO und weiteren sich in der Nähe bendlichen
Kernkraftwerken ist in Abbildung 1.3 zu nden.
Als aktive Masse wird 20 kT Flüssigszintillator dienen, welcher sphärisch von ca. 17000
20" (ca. 50 cm im Durchmesser) Detektor-PMTs umhüllt ist (PMT: siehe Abschnitt
2.1). Der Flüssigszintillator dient dazu, die Teilchenreaktion durch erzeugte Photonen
für die Detektion in den PMTs nachweisbar zu machen. Ein beigemischter Wellenlängenschieber sorgt dafür, dass diese Photonen den PMT mit der Wellenlänge erreichen
bei der dieser besonders empndlich ist. Eingebettet wird die aktive Masse in ein Wasserbad. Dieses dient mit weiteren 1500 20" PMTs als Veto-Cherenkov-Detektor, um
kosmische Hintergrundstrahlung wie Myonen auszuschlieÿen. Um das Veto zu vervollständigen, wird das Experiment von oben mit dem alten Myonenveto des OPERAExpermiments abgedeckt. Um die Myonen abzuschirmen, wird der innere Detektor 700 m
unterhalb eines Granitberges stehen. Ein Schema dieses Aufbaus ist in Abbildung 1.4
zu sehen.
JUNO soll die Bestimmung der Massenordnung klären, also das Vorzeichen von
∆m13 2
mit einer Signikanz von 3 σ bestimmen. Dadurch, dass die Länge in Gleichung 1.3 genau
5
1 Motivation: Neutrinophysik
Abbildung 1.2: Darstellung des Anti-Elektronneutrino-Spektrums in Abhängigkeit von
der Reiselänge L pro Energie E des Neutrinos für die verschiedenen Ordnungen
oder einer Theorie, die von keiner Oszillation ausgeht. Die rote senkrechte Linie
markiert den Bereich, bei dem die beiden Ordnungen ihre gröÿte Unterscheidbarkeit
aufweisen. Betrachtet wird in diesem Spektrum die Häugkeit der Neutrinoenergien
eines Kernreaktors in 60 km Entfernung [6].
bekannt ist, bleibt als Limitierende, bei der Bestimmung des Vorzeichens, die Neutrinoenergieauösung. Eine Energieauösung von 3% bei 1 MeV und eine Datenaufnahme
über mindestens 6 Jahre sind nötig, um den Anforderungen von 3 σ zu entsprechen.
Gleichung 1.3 zeigt im Detail, unter der Berücksichtigung der Abbildung 1.2, wichtige
Eigenschaften für die Oszillation in den einzelnen Termen.
≈1
z}|{ ∆m 2 L 21
2
4 2
P(νe → νe ) =1 − s (2θ12 ) c13 s
4E
|
{z
}
zwei Neutrinooszillationen
unbekanntes Vorzeichen
z }| {2 ∆m32 2 L
2
2 2 ∆m31 L
2 2
− s (2θ13 c12 s
+ s12 s
4E
4E
|
{z
}
(1.4)
drei Neutrinooszillationen
Der zweite Term in der ersten Zeile entspricht einer Oszillation von zwei Neutrinos. Hier
4
kann cos (θ13 ) vernachlässigt werden, da er nahezu Eins ergibt. Die hier interessanten
2
Terme der Oszillation stehen in der zweiten Zeile: Das Vorzeichen von ∆m31 sorgt für
eine Schwebung in der Oszillation und hat nur geringe Auswirkungen auf die Amplitude. In bisherigen Experimenten reichte die Energieauösung nicht aus, um einen Un-
6
1.2 Das JUNO-Experiment
Abbildung 1.3: Übersichtskarte von China mit dem JUNO-Gelände und den beiden
Kernkraftwerken Taishan und Yangjiang, beide in ca. 53 km Entfernung [3].
terschied dieser beiden Ordnungen zu beobachten. Des Weiteren waren die Detektoren
bei einer erwarteten mittleren Energie von 5 MeV bei Reaktorneutrinos in ungeeigneten
Entfernungen aufgestellt, bei denen die Unterschiede der beiden Ordnungen zu gering
waren. Das
/
L
E
Verhältnis mit dem maximalen Unterschied in den beiden Ordnungen
ist in Abbildung 1.2 markiert. Man erkennt, dass dieser Bereich wenige
/
km
MeV
breit ist.
Für Neutrinos mit 5 MeV ist eine Entfernung von ca. 53 km am besten geeignet, um
die Ordnung zu bestimmen. Aus diesem Grund wurde JUNO 53 km entfernt von zwei
Kernkraftwerken geplant.
Die extrem gute Energieauösung soll durch die gröÿtmögliche Detektorabdeckung des
aktiven Mediums, realisiert durch 20" PMTs, möglich sein. Diese müssen eine Quantenefzienz von 35% und eine Ausfallrate
< 1%
haben, um eine Energieauösung von 3 %
bei 1 MeV zu gewährleisten. Bei solch groÿen PMTs muss das Erdmagnetfeld reduziert
werden, um diese Anforderungen zu erfüllen. Dazu sind zwei orthogonale Spulen um
◦
den Detektor geplant. So soll das Wandern des Feldes um 3 in 10 Jahren kompensiert
werden können. Da das Magnetfeld aber nur in der Mitte näherungsweise homogen ist
und die Stützkonstruktion und andere Störquellen durch ihre Permeabilität für ein unerwünschtes Feld sorgen, ist eine zusätzliche passive Abschirmung durch
µ-MetallKorpusse
um jeden 20" PMT geplant (siehe Abschnitt 2.4).
Ergänzt werden die 17000 PMTs des inneren Detektors durch ca. 1500 Veto-PMTDetektoren. Die Lücken zwischen den groÿen 20" PMTs im Hauptdetektor sollen durch
35000 3" PMTs aufgefüllt werden, welche über eine höhere zeitliche Auösung verfügen.
Die Frage nach der Massenordnung soll mit einer Signikanz von
3σ
geklärt werden.
Genauso soll der JUNO-Detektor die bekannten Mischungsparameter genauer bestim-
7
1 Motivation: Neutrinophysik
Abbildung 1.4: Schematischer Aufbau des JUNO-Detektors. Das Top Myonen Veto
stammt aus dem OPERA-Experiment, der Wassertank dient zusätzlich als Myonen Veto. Der eigentliche Detektor bendet sich in der Sphäre und ist mit einem
Flüssigszintillator gefüllt. Das endgültige Design ist noch nicht abgeschlossen. Ein
Spulensystem zur Magnetfeldabschirmung und weitere PMTs in den Zwischenräumen der groÿen 20" PMTs sind geplant [3].
men können als bisherige Experimente. Sollte sich im Betriebszeitraum eine Supernova
ereignen, erwartet man eine noch nicht da gewesene Datenmenge über Supernovaereignisse. Auÿerdem sind weitergehende Untersuchungen im Bereich der Solaren-, der
Atmosphärischen- und der Geo-Neutrinos geplant. Die indirekte Suche nach Dunkler
Materie und Sterilen-Neutrinos erweitert den Einsatz des Detektors über die Grenzen
des Standardmodells hinaus.
1.3 Hamburger Beteiligung an JUNO
Für den gesamten JUNO-Detektor sind ca. 18500 20" PMTs nötig. Vor dem Einbau
müssen die PMTs charakterisiert und in einer Datenbank erfasst werden. Die PMTs
werden zu Teilen in Japan und zu Teilen in China gefertigt. Eine Charakterisierung soll
in unmittelbarer Nähe zum JUNO-Gelände stattnden. Ein System in vier Containern
ist geplant, sodass ein einfacher Transport möglich ist. Die Universität Tübingen und
8
1.3 Hamburger Beteiligung an JUNO
die Universität Hamburg arbeiten daran, diese Container bereitzustellen. Pro Container
sollen 40 PMTs Platz nden. Um den Untergrund für eine zuverlässige Charakterisierung zu minimieren, müssen die PMTs 12 h im Teststand betrieben werden. Innerhalb
eines Jahres können so alle PMTs hinsichtlich der wichtigsten Parameter charakterisiert
werden.
Die Universität Tübingen übernimmt die Entwicklung der Elektronik von der Auslese
bis zum Lichtsystem. Die Universität Hamburg entwirft das innere Containerdesign,
welches 40 einzelne PMT Teststände aufweist. Zur Zeit sind verschiedene Methoden zur
Charakterisierung der PMTs denkbar. Ein Test dieser Methoden ndet in einem bereits
vorhandenen Teststand der Universität Hamburg statt. Dieser bietet jedoch nicht die
Dimensionen um die 20" PMTs zu fassen.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde deshalb ein neuer Teststand entwickelt, der erstmals
diese PMTs vermessen kann. Dieser Teststand ist zusätzlich von einer Spule umschlossen, mit der ein künstliches Magnetfeld erzeugt werden kann. Bei dieser PMT-Gröÿe
ist der Einuss eines externen Magnetfeldes nicht zu vernachlässigen. Diese Messungen
sollen Aufschluss darüber geben, inwiefern die Container gegen das Erdmagnetfeld abgeschirmt werden müssen, um einen systematischen Fehler in der Charakterisierung zu
verhindern. Der Teststand soll auÿerdem den Einuss des entwickelten Teststandsystemes des Containers auf die PMT-Vermessung testen.
9
2 PMT Grundlagen
PMTs (Photomultiplier Tube, deutsch Photonenvervielfacher-Röhre) zählen zu den leistungsstärksten Instrumenten zum Nachweis geringer Lichtmengen. Von der Industrie
über die Medizin bis hin zur Forschung nden sie in verschiedenster Weise Anwendung.
Ein indirekter Nachweis von Neutrinoreaktionen wird über Photonen, die in einer Reihe von Reaktionen letztendlich entstehen, mittels PMTs verwirklicht. Dies geschieht über
einen durch Einzelphotonen ausgelösten Elektonenstrom im PMT.
2.1 Funktionsweise von PMTs
Die folgenden Abschnitte orientieren sich gröÿtenteils an dem Handbuch Photomultird
plier Tubes - Basics and Applications, 3 edition der Firma Hamamatsu [7].
Eine Elektronenröhre mit einer photosensitiven Eintrittsönung stellt den Rahmen der
−6
PMTs dar. Im Innern der Röhre herrscht ein geringer Druck von 10
Pa. Zwei Bauarten
für die Röhren sind Standard: Die Side-On- und die Head-On-Art. Das Eintrittsfenster
für die Photonen bendet sich dabei entweder seitlich oder am Kopf der Röhre. Im folgenden Teil dieser Arbeit werden die Head-On-PMTs betrachtet. Bei diesem Bautyp muss
die Photokathode halbtransparent sein, wohingegen beim Side-On-PMT reektierende
Kathoden Verwendung nden (vergleiche Abbildung 2.1). Die photosensitive Fläche setzt
über den inneren Photoeekt bei Photoneneinfall Elektronen frei. Diese primären Elektronen werden über mehrere Anoden (Dynoden) mit steigender Spannung beschleunigt.
Der PMT wird mit einer Hochspannung versorgt, die über eine Spannungsreihe an die
Dynoden verteilt wird.
Trit ein Elektron auf eine Dynode setzt dies zwei bis vier Sekundärelektronen frei
(vergleiche Gleichung 2.1). Diese werden von der nächsten Dynode beschleunigt und lösen
erneut mehrere Elektronen aus ihr heraus. So wächst exponentiell eine Elektronenlawine
heran bis diese auf die letzte Dynode (Sammelanode oder einfach Anode) trit und
dort einen Strom erzeugt, der gemessen wird (vergleiche Gleichung 2.2). Hierzu wird das
Signal von der Hochspannung über einen sogenannten Splitter getrennt. Einen typischen
Spannungspuls kann man in Abbildung 3.6 erkennen.
11
2 PMT Grundlagen
(a) Side-On
(b) Head-On
Abbildung 2.1: Dargestellt werden zwei Bauweisen für PMTs. In (a) erkennt man die
reektierende Photokathode des Side-On-Typs, in (b) die halbtransparente Photokathode des Head-On-Typs [8].
Die Verstärkung für eine Dynode im PMT lässt sich als die Anzahl an frei gewordenen
Sekundärelektronen pro Primärelektron verstehen.
δ = A · Eα
(2.1)
δ ist hier die Emissionsrate der Sekundärelektronen, A eine PMT spezische Konstante,
E die lokale Spannung und α ist ein materialabhängiger Koezient. Typischerweise liegt
dieser Wert bei 0.7 < α < 0.8.
Geht man nun zu n Dynoden und einer Gesamtspannung V über, so gilt für die Verstärkung des Stromes [7]:
n
α
n
n
µ = δ = (A · E ) = A ·
V
n+1
α
n
= K · Vα .
n
(2.2)
K ist eine PMT spezische Konstante. Die typische Dynodenanzahl liegt zwischen neun
und zwölf, sodass der Strom von der sechsten bis zur zehnten Ordnung mit der Span7
nung skaliert. Für Einzelphotonennachweise wird oft mit einer Verstärkung von 10
gearbeitet. Hierfür muss dann die für den PMT spezische Hochspannung gefunden
werden.
2.2 Einzelphotonennachweis
Die Quantenezienz (QE) ist ein Wert für die Nachweiswahrscheinlichkeit eines Quants,
hier des Photons. Gute PMTs haben Höchstwerte für die QE von ca. 30 %, JUNO strebt
sogar eine QE von 35 % an. In der Photokathode sorgt ungefähr nur jedes dritte Photon für ein freies Elektron. Diese Ezienz hängt unter anderem von der Wellenlänge
12
2.2 Einzelphotonennachweis
Abbildung 2.2: Graphische Darstellung der Wellenlängenabhängigkeit für die QE unterschiedlicher Photokathoden der Firma Hamamatsu. Zu erkennen ist der Bereich
im unteren Spektralbereich, in dem eine Absorption durch das Fensterglas stattndet und ein Maximum im Bereich von 400 nm aufweist. Die von JUNO geforderte
Quantenezienz von 35 % ordnet sich im obersten Gütebereich der Kathoden ein
[9].
des Photons ab. Im unteren Spektralbereich wird sie durch die Absorption des PMTEintrittsfensterglases bestimmt. Dieser Zusammenhang ist in Abbildung 2.2 zu sehen.
Dort ist die zur Wellenlänge gehörige QE aufgetragen, die für verschiedene neu entwickelte Photokathoden von der Firma Hamamatsu angegeben werden.
Der Flüssigszintillator bei JUNO erzeugt mit dem beigefügten Wellenlängenschieber
Photonen bei ungefähr 430 nm. Primäre Elektronen, die von einem Photonenereignis
ausgelöst werden, werden single-photoelectron genannt (SPE, Einzel Photoelektron).
Mit einer geringen poissonverteilten Wahrscheinlichkeit treten aber auch zwei oder mehr
Photoelektronen auf (MPE, multiple-photoelectrons). Ein Spannungsbereich, in dem
der PMT sich am besten für den Nachweis von SPE eignet, zeichnet sich dadurch aus,
dass Verstärkung und Rauschen im richtigen Verhältnis zueinander stehen (vergleiche
Abbildung 2.3).
Spricht man jedoch von einem geeigneten Bereich zur Detektion von SPE, ist damit
die Lichtmenge gemeint, die auf den PMT einfällt, die in der Gröÿenordnung von einem
Photon pro zehn ns liegt. Dieser Bereich liegt vor, wenn etwa jeder zehnte, einige ns breite Testlichtpuls ein Signal liefert, sodass man davon ausgehen kann, dass nur einzelne
Photonen die Photokathode erreichen. Dies folgt daraus, dass die Wahrscheinlichkeit für
die Anzahl der gleichzeitigen Photonen und die Anzahl der ausgelösten Elektronen, zu-
13
2 PMT Grundlagen
Abbildung 2.3: Der
lässt
sich
in
Dunkelstrom
drei
charakte-
ristische Bereiche unterteilen:
a)
Im
Bereich
mit
niedri-
ger Spannung bestimmen die
Störströme die Form. b) Der
Bereich
mittlerer
Spannung
wird durch den thermischen
Strom bestimmt. Dies ist der
Arbeitsbereich mit dem besten Signal-Rausch-Verhältnis.
c) Bei hoher Spannung überwiegt der Feldeekt, der sogar
den PMT schädigen kann [10].
sammengefasst zu MPE, poissonverteilt ist. So lässt sich erreichen, dass die Wahrscheinlichkeit, auf MPE im Vergleich zu SPE unterdrückt ist.
Nur durch die genaue Kenntnis eines SPE-Signales kann ein MPE-Signal auf die genaue
Photoelektronenanzahl untersucht werden.
2.2.1 Untergrund
Durch Störeekte ieÿen im PMT auch dann Ströme, wenn keine Photonen mit der Photokathode interagieren. Für den SPE-Nachweis muss dieser Dunkelstrom verstanden werden. Die Ursachen für solch einen Untergrund sind wie folgt:
Thermischer Untergrund
Aufgrund der nur leicht gebundenen Elektronen in der Photokathode und Dynoden
ist die Möglichkeit gegeben, dass bei Raumtemperatur Elektronen freigesetzt wer◦
◦
den. Eine Abkühlung des PMTs von 20 C auf 0 C führt dazu, dass sich der Dunkelstrom um eine Gröÿenordnung verringern lässt [7].
14
2.2 Einzelphotonennachweis
Nachpulse durch Ionisation des Restgases
Restliche Gasatome in der Röhre können durch die Elektronen ionisiert werden.
Diese erzeugen aufgrund ihrer Masse und der damit verbundenen längeren Flugzeit
typische Nachpulse.
Ionisierende Strahlung
Die kosmische Strahlung, hier besonders die Myonen aus kosmischen Schauern,
können durch ihre hohe Energie und Reichweite leicht in das Experiment eindringen
und freie Ladungsträger erzeugen.
Radioaktive Strahlung, vornehmlich
γ -Strahlung,
aber auch
β -Strahlung
sorgen
durch ihre ionisierende Wirkung im PMT ebenfalls für einen Dunkelstrom. Kleinstmengen von radioaktivem Material sind immer im PMT-Glas zu nden.
Szintillation
Elektronen, die die erste Dynode verfehlen, können auf dem Glas der Röhre landen
und dort Lichtblitze erzeugen, die zeitverschobene Signale verursachen. Durch Erhöhen der Hochspannung und Reduzierung eines externen Magnetfeldes lässt sich
die Wahrscheinlichkeit, die erste Dynode zu treen, steigern, um diesen Untergrund
zu minimieren.
Feldeekte
Bei einer zu groÿen Spannung an den Dynoden können Elektronen aufgrund des
Feldeekts austreten ohne von einen Primärelektron getroen worden zu sein. Der
so entstandene Dunkelstrom kann nur durch eine Reduzierung der Spannung verringert werden.
Störströme
Aufgrund der feinen Schaltung sind unterschiedliche Störungen möglich. In der
Röhre vorliegende Verunreinigungen, elektromagnetische Schwingungen und eine
fehlerhafte Hochspannungsversorgung erzeugen beispielsweise ein störendes Rauschen [7].
Um den besten Wert für die Betriebsspannung zu nden, sollte eine Abwägung von
Rauschsignal und Hochspannung gemacht werden. Eine solche Abschätzung ist in Abbildung 2.3 zu sehen.
Eine Höhenverteilung (Histogramm genannt, in Abbildung 2.4 zu erkennen) der Spannungspulse des PMTs zeigt, ob man sich im Bereich der SPE bendet. Eine negativeres
Maximum im Spannungssignal erhält eine gröÿeren Kanaleintrag als ein Signal mit einem Maximum dichter Null. Die Ereignisanzahl pro Höhe wird aufgetragen. Erwartet
wird ein gauÿförmiger Peak vom Rauschen bei geringer Pulshöhe (Pedestal, eng: Säule (genannt)). Der Untergrund und ein statistisches Rauschen klingen exponentiell ab
und überlagern sich mit dem Pedestal. Nach dem Pedestal ndet sich im Idealfall eine breitere Gauÿkurve, welche den SPE-Ereignissen entspricht. Treten weitere kleine
15
2 PMT Grundlagen
Abbildung 2.4: Theoretische
Hö-
henverteilung im SPE-Bereich:
gestrichelt ist der Dunkelstrom,
durchgezogen das Signal und
der Dunkelstrom in ihrer Summe. Eine wichtige Kenngröÿe
des PMTs ist das Verhältnis
vom
ersten
Tal
zum
Peak,
der sogenannte peak-to-valleyWert.
Links
im
Dunkelstrom
bei Null ist der Pedestal und im
Signalteil
die
Gauÿverteilung
zu erkennen [7].
Peaks im linearen Verhältnis zum vorherigen Peak auf, so stammen diese von Zweifachoder Mehrfach-Photoelektronen (MPE). Man deniert den peak-to-valley Wert im Histogramm. Er bildet das Verhältnis von der Höhe des Tales zwischen dem ersten und dem
zweiten Berg und der Höhe des zweiten Berges. So lässt sich beurteilen, ob der PMT eine
Auösung erreicht, um einzelne Photonen vom Untergrund zuverlässig zu unterscheiden.
Werte von 1:3 und gröÿer werden empfohlen [11].
2.2.2 Verteilung der SPE und MPE
Geht man von einem Photonenereignis aus, das unter Berücksichtigung der QE, die
Kathode trit, so gibt
λ
die erwartete Ereignishäugkeit von Photoelektronen an. Die
Anzahl dieser Elektronen sei n
∈ N und ist poissonverteilt:
n
Poisson:
Pλ (n)
=
λ
n!
· exp(−λ).
(2.3)
n einspricht der Photoelektronenanzahl, für n
=1
spricht man vom SPE und bei n
>1
von MPE.
Die Poissonverteilung geht für
λ ≈ 20
in eine Gauÿfunktion über und ist daher nur für
Ereignisse mit geringen Erwartungswerten relevant.
16
2.3 PMTs in Magnetfeldern
Das Gesamtsignal setzt sich nach [12] aus einer Faltung der Poissonverteilung und der
einzeln um n verschobenen Gauÿfunktionen der PE zusammen [13]:
n
S(x)
=
Xλ
=1
n
gn (x)
n und
λ
niszahl.
n!
· exp(−λ) · g (x)
(2.4)
n
2
N
=p
· exp −
2π(σ20 + nσ21 )
(x − (Q0 + nQ))
2 (σ20 + nσ21 )
!
(2.5)
sind unverändert die Parameter der Poissonverteilung. N ist die gesamte Ereig-
σ1
stellt die Varianz der Gauÿfunktionen von einem Grundwert
σ0
verscho-
ben dar. Gleiches gilt für Q1 und Q0 , wobei Q für den Mean-Wert (Kanaleintrag)
steht.
Eine Possionverteilung kann auch beim Betrachten der Lichtquelle als gegeben angesehen werden. Eine LED mit niedriger Spannung und zeitlich kurzen Pulsen emittiert
nicht nur ein Photon, sondern durch ebendiese Verteilung statisch auch manchmal mehrere Photonen gleichzeitig. Nützlich ist das Operieren in einem Bereich in dem beide
erwarteten Ereignishäugkeiten deutlich kleiner Eins sind.
2.3 PMTs in Magnetfeldern
~ eine Kraft ~F senkrecht zum BJede elektrische Ladung q erfährt in einem Magnetfeld B
Feld und senkrecht zur Bewegungsrichtung der Ladung, die sogenannte Lorentz-Kraft:
~F = q(E
~ + ~v × B
~ ).
(2.6)
Hier ist das Einheitensystem so gewählt, dass keine Proportionalitätskonstante nötig ist.
Für eine Punktladung ergibt sich, das Vektorprodukt ausgeschrieben als Skalarprodukt,
zwischen Bewegungsrichtung und B-Feld mit dem Winkel
FL
α [14] [15]:
= q · v · B · sin(α).
(2.7)
~
Nimmt man nun an, ein geladenes Teilchen werde in einem konstanten Magnetfeld B
(B, 0, 0)
von einem konstanten elektrischen Feld
~ = (0, E, 0)
E
=
beschleunigt, erfolgt die
Ablenkung durch das B-Feld maximal, da dieses senkrecht zur Beschleunigungsrichtung
durch das E-Feld steht, nach Lorentz folgt die Bewegungsgleichung:
m
~ + ~ṙ × B
~ ).
· ~r̈ = e(E
(2.8)
17
2 PMT Grundlagen
Als Lösungen für die drei einzelnen Komponenten ergeben sich nach [16] und [17]:
x
=0
y
=
z
=
eE
m
eE
m
(2.9)
2
eEt
· ω2c (1 − cos(ωc t)) ≈
2m
sin(ωc t)
ωc t
· ωc t −
≈
·yy
ωc
3
Hier wurde die Zyklotronfrequenz:
Flussdichten
≈ 50 µT
ωc =
/
eB
m
(2.10)
(2.11)
eingeführt. Für kleine Magnetfelder mit
und elektrischen Feldstärken von 2000 V/m ist
ωc t 1
und somit
wird die Näherung in Gleichung 2.10 und 2.11 durch die Reihenentwicklung von cos(x)
und sin(x) erreicht. Setzt man nun y gleich dem Radius R des PMTs als Flugstrecke
von der Photokathode zur ersten Dynode und E =
/
U
R
gleich der Spannung zwischen
der Photokathode und der ersten Dynode pro Länge R (vergleiche Abbildung 2.6), dann
ergibt sich eine Ablenkung eines Elektrons von der ersten Dynode senkrecht zum B- und
E-Feld zu:
1 eB 2
R
z =
3m
r
2m
eU
≈
2
1977
B
R
[ V1/2 ]
·
·
·
10000 [ µT ] [ m2 ] U1/2
in m
(2.12)
In einem 20" PMT im Erdmagnetfeld bei 44 µT und einer Beschleunigungsspannung von
700 V ist mit einer Ablenkung von ungefähr 5 cm zu rechnen. Die Elektronen, die nicht
die Dynoden treen, fehlen im Signal. Sie reduzieren somit indirekt die Nachweiswahrscheinlichkeit des PMTs und sorgen zusätzlich dafür, dass sie als Rauschen die Messung
stören (vergleiche Abschnitt 2.2).
Erwähnt sei noch, dass in der Rechnung 2.8 angenommen wird, dass das Elektron in
Ruhe aus der Photokathode gelöst wird und der Einuss der fokussierenden Elektronik
des PMTs dabei vernachlässigt wurde. Beide Eekte reduzieren die Ablenkung z aus
Gleichung 2.11. Somit stellt z eine obere Abschätzung dar.
Um diese Ablenkung zu reduzieren kann U erhöht werden. Da diese aber
∝ U−1/2 ist, wä-
re eine Erhöhung in Konkurrenz mit dem Feldeekt, der verhindert werden sollte. Somit
bleibt nur noch die Möglichkeit das Erdmagnetfeld zu reduzieren. Das Magnetfeld geht
proportional in z ein und ist dementsprechend ergiebig.
Da die PMTs im JUNO-Detektor eine Kugel radialsymmetrisch umschlieÿen, kommt
jede Orientierung vom PMT zum Magnetfeld vor und verdeutlicht die Dringlichkeit das
B-Feld zu reduzieren.
2.4 Magnetfeldabschirmung
Wie im Abschnitt 2.3 beschrieben, ist der Einuss des Erdmagnetfeldes auf die PMTs
groÿ genug, um eine Störung in der Ezienz hervorzurufen. Das Erdmagnetfeld auf dem
18
2.4 Magnetfeldabschirmung
Abbildung 2.5: Bewegung des Elektrons nach Gleichung 2.10 und 2.10, U = 700 V,
B = 44µT und R = 0.35 m im PMT. Bei y = 0 bendet sich die Photokathode, bei
y = R die erste Dynode. Auf dieser Entfernung liegt die Spannung U und erzeugt eo
ein E-Feld von E = 2000 V.
Versuchsgelände von JUNO wurde zu einer Flussdichte von ca. 40 µT in der Horizontalen und ca. 24 µT in der Vertikalen bestimmt [3]. Der Betrag des Vektors beträgt
◦
somit ca. 44.8 µT bei einem Winkel von ungefähr 30 zur Horizontalen. In Hamburg
liegt die magnetische Flussdichte in derselben Gröÿenordnung, jedoch beträgt der Win◦
kel zur Horizontalen ca. 60 . Dieses Feld kann entweder passiv oder aktiv reduziert
werden.
2.4.1 Passive Abschirmung:
µ-Metall
Eine passive Magnetfeldabschirmung sieht vor den Raum, der abgeschirmt werden soll,
mit einem Material zu umhüllen, das eine sehr hohe magnetische Permeabilität (∼
105 H/m) aufweist. Magnetische Feldlinien dringen in das Material ein und ieÿen in ihm
entlang anstatt auf der anderen Seite auszutreten. Ist der Raum vollständig umschlossen,
sind keine Feldlinien im Inneren zu nden.
Materialien hoher magnetischer Permeabilität sind zum Beispiel Weicheisen oder
µ-
Metall. Letzteres ist eine Legierung mit dem Hauptbestandteil Nickel und weist sehr gute
Abschirmeigenschaften auf. Jedoch ist dieses Material verhältnismäÿig teuer und sollte
keiner mechanischen Beanspruchung ausgesetzt werden. Schon kleine Kratzer können
zu einer Störung des Kristallgitters führen, was einen Verlust der Abschirmung hervor
ruft.
19
2 PMT Grundlagen
Abbildung 2.6: Dimensionen des 20" PMT R12860, zur Verdeutlichung der Elektronen
Bewegung aus Abbildung 2.5 ist der Plot nicht Maÿstabsgetreu eingezeichnet. Als
Einheit der Maÿe ist der mm gewählt. Die Ablenkung in z ist ungefähr um das
Fünache vergröÿert abgebildet.
Da eine Abschirmung geschlossen sein sollte, aber ein PMT ein Fenster für den Lichteintritt benötigt, wird empfohlen einen Zylinder zu formen der weit über den PMT herausragt, sodass eine Abschirmwirkung im PMT Kopf vorhanden bleibt. Eine Alternative
stellt ein Gitter über dem Eintrittsfenster dar, dieses wirft aber einen Schatten auf den
PMT. Eine Ummantelung des kompletten Wassertanks mit
µ-Metall
könnte Störfelder
innerhalb des Tanks, die möglicherweise in der Stützkonstruktion oder der Elektronik
vorhanden sind, nicht abschirmen. Auÿerdem hinderlich wäre so eine Konstruktion für
Aufbau- und Wartungsarbeiten, aufgrund der mechanischen Empndlichkeit des Materials [7] [18].
20
2.4 Magnetfeldabschirmung
Abbildung 2.7: Eindimensionale Betrachtung des Einusses des Magnetfeldes auf die
Nachweiswahrscheinlichkeit eines für JUNO gedachten 20" PMTs [3].
2.4.2 Aktive Abschirmung: Magnetfeld einer Spule
Um aktiv ein Magnetfeld abzuschirmen, wird ein entgegengesetztes magnetisches Feld
erzeugt, welches das Störfeld dann kompensiert. Am einfachsten lässt sich dieses über
Elektrospulen realisieren. Hierbei ist zu beachten, dass die erzeugten Felder im Verlauf
den zu kompensierenden Feldern entsprechen müssen. Dieses stellt somit einen Nachteil
im Vergleich zur passiven Abschirmung dar. Man betrachtet das Feld einer einlagig
gewickelten Zylinderspule mit einer Länge L und einem Radius R. Für L > R lässt sich
das Feld in der Mitte als homogen annehmen. Die Flussdichte auf der Spulenachse kann
allgemein beschrieben werden als [19]

~ (z)
B
=
nIµ0
2
z
q
2
R
+
+
L
2
z
+
L
2
2 − q
2
R
z
−
+

L
2
z
−
L
2
 ~ez .
(2.13)
2
Dabei liegt z auf der Spulenachse. I ist der Strom an der Spule, n die Windungsdichte
/
N
L
und
µ0
die magnetische Feldkonstante.
21
2 PMT Grundlagen
z = 0
Die Flussdichten in der Mitte BM bei
und am Rand der Spule BR für z =
L
±2
ergeben sich aus der obigen Formel zu:
BM
=q
2 · B0
4·R2
2
L
BR
=q
+1
mit B0
=
nIµ0
2
B0
2
R
L
2
(2.14)
(2.15)
+1
Abbildung 2.8 zeigt den Flussdichteverlauf in der Spule für eine Umwicklungslänge L
von den aktuellen 180 cm und eine Erweiterung auf 200 cm. Der Bereich der Homegenität im Zentrum wird aber nicht in dem Maÿ vergröÿert, dass eine Neuwicklung mit
verbundener Umgestaltung des Deckelsystems und der Kabeleinführung rechtfertigen
würde.
Aufgrund der Proportionalität von B zu I lässt sich eine Kalibrierungsgerade nden, die
aus dem Strom durch die Spule die magnetische Flussdichte bestimmt. So ist durch Bestimmen des Stromes eine Steuerung der Feldstärke im Teststand möglich.
22
2.4 Magnetfeldabschirmung
Abbildung 2.8: Flussdichteverlauf der Spule nach Gleichung 2.13. I
40.5 cm,
n
= 378.
= 366 mA,
R
=
L ist einmal in dem aktuellen Aufbau (rot) mit 180 cm und für
eine Erweiterung über den ganzen Teststand (blau) mit 200 cm Umwicklungslänge geplottet. Schraert in grün die Spule, in orange der Teststand. Entscheidend
ist hier der näherungsweise homogene Bereich im Spulenzentrum von R
= 30 cm
Länge um das Erdmagnetfeld im Inneren des PMTs kompensieren zu können. Eine Erweiterung der Spule über dem gesamten Teststand vergröÿert diesen Bereich
nicht ausreichend, um einen Umbau der Kabelanschlüsse und der Abdichtung zu
rechtfertigen.
23
3 Konzeption der Teststände
Ein Teststand soll für eine Messung ein kontrollierbares und reproduzierbares Umfeld
liefern, in dem Idealbedingungen herrschen. Für die Untersuchung von PMTs zählen
dazu die Lichdichtigkeit, die elektrische und magnetische Abschirmung zu Störfeldern
und eine kalibrierte steuerbare Lichtquelle.
Die Feldfreiheit ist für gröÿere PMTs zunehmend entscheidender wie in Abschnitt 2.3
bereits gezeigte wurde. Für einen 20" PMT (ca. 50 cm im Durchmesser), wie sie für JUNO
zum ersten Mal in Hamburg getestet werden sollen, ist eine magnetische Feldfreiheit
unabdingbar. Das Institut für Experimentalphysik der Universität Hamburg benötigt für
ihre Forschungen einen Teststand. Zu Beginn dieser Arbeit war nur ein kleiner Teststand
vorhanden, der keine magnetische Feldfreiheit bot.
Im Folgenden werden die Konzepte und Eigenschaften der beiden Hamburger Teststände
vorgestellt. Der Zweite wurde im Rahmen dieser Arbeit von Grund auf neu entwickelt
und gebaut.
3.1 Optischer Teststand
Der optische Teststand wurde bereits mehrfach erfolgreich verwendet, um PMT-Vermessungen in einem lichtdichten Raum durchzuführen (letzte Messungen z. B. sind in der
Masterarbeit [20] dokumentiert). Dieser Teststand besteht aus einer Holzkiste, die einen
Lichtausschluss vollständig gewährt. Sie verfügt im Inneren über einen optischen Aufbau
für eine homogene Ausleuchtung 2" Zoll groÿer PMTs.
Für die Beteiligung am JUNO-Projekt dient dieser Teststand hauptsächlich dazu, durch
seinen erfolgreichen Betrieb, den neuen magnetischen Teststand (Abschnitt 3.2) zu kalibrieren. Aber auch Tests der Elektronik werden hier durchgeführt, da sicher gestellt werden muss, dass keine externe Lichtquelle vorliegt. Ergänzend werden Tests zur Untersuchung von PMTs auf ihre Eignung zur Detektion von SPE durchgeführt.
Der optische Aufbau besteht aus einem Linsensystem in einem geschlossenen Metallrohrsystem. Beginnend bei einer Halterung für die LED wird der Lichtstrahl über eine
◦
Linse gebündelt und durch zwei um 90 verdrehte lineare Pollter in der Intensität verringert. Über drei weitere Linsen wird der LED-Puls zuerst aufgeweitet, dann kollimiert
25
3 Konzeption der Teststände
Abbildung 3.1: Im Bild sind beide Teststände zu sehen: Rechts die Holzkiste des optischen Teststandes mit dem schwarzen Innenanstrich. Links das Papprohr des Magnetischen Teststandes auf Spanngurten aufgehängt, umwickelt vom Flachbandkabel der Spule.
und letztlich auf eine PMT-Halterung fokussiert, sodass eine Fläche mit 2" Durchmesser
gleichmäÿig ausgeleuchtet wird. Für eine zusätzliche Verminderung des Lichtes existiert
eine Halterung für eine Lochblende, welche vorerst mit selbst gebauten Blenden genutzt
wurde [20].
Es stellte sich heraus, dass die 20" PMTs nicht durch die Önung der Kiste passten. Die
Möglichkeit eines Umbaus wich der Idee einen neuen Teststand zu konstruieren. Dieser
neue Teststand sollte eine ähnliche Lichtdichtigkeit wie der erste Teststand aufweisen
aber zusätzlich eine Erdmagnetfeldabschirmvorrichtung bieten. Eine Ausleuchtung des
PMTs über ein Linsensystem musste aus Kostengründen für Linsen, die dieser Geometrie
genügen, entfallen. Beide Teststände sollen dieselbe externe Elektronik (Abschnitt 3.3)
verwenden, sodass ein Vergleich der Teststände möglich ist.
Eine Inbetriebnahme dieses Teststandes wurde erfolgreich durchgeführt, sodass Erfahrungen gesammelt werden konnten, die dabei halfen, den neuen Teststand zu entwickeln.
Messungen innerhalb dieses optischen Teststandes sind in Abschnitt 4.2, 4.4.3 und 4.5
nachzulesen.
26
3.2 Magnetischer Teststand
3.2 Magnetischer Teststand
Aufgrund des Bedarfs, 20" PMTs vermessen zu können, musste ein neuer Teststand aufgebaut werden. Hierzu dienten erste Erfahrungen mit dem optischen Teststand (siehe Abschnitt 3.1) und ein ungenutztes Labor am Institut für Experimentalphysik der Universität Hamburg. Dieser neue Teststand wird im Folgenden weiter beschrieben.
Der neue Teststand sollte zusätzlich zu dem vorherigen Teststand über folgende Eigenschaften verfügen:
•
Eine vergröÿerte Önung auf Maÿe, die sowohl einen 20" PMTs erlauben, als auch
das zugehörige Teststandsegment welches als Prototyp für den Containereinbau
gefertigt wurde, aufnehmen kann.
•
Eine Abschirmung gegen das Erdmagnetfeld, mit der auch künstliche Magnetfelder erzeugt werden können, die bis zu 200 µT groÿ sind. Diese Werte werden in
Arbeiten des Double Chooz Experiments [21] als kritische Grenzen für 8" PMTs
angegeben.
Dies ermöglicht Tests, um die passive Abschirmung zu prüfen und eine Kalibrierung der
PMTs, bezüglich ihrer Anfälligkeit auf externe Magnetfelder, durchzuführen.
Um diese Eigenschaften zu erfüllen, wird ein Rohr aus Hartpapier mit 80 cm Innendurchmesser und 200 cm Länge verwendet. Die Lichtdichtigkeit wird durch eine PVC-Folie
realisiert. Die Holzplatten dienen vorwiegend als Deckel zur Stabilisierung des Rohres,
da sich das Material unter seinem Eigengewicht mit der Zeit verformt. Die PVC-Folie
wird mit einem Spanngummi befestigt. Jedes Ende des Teststandrohres verfügt über vier
standardisierte Anschlüsse, zwei HV-Anschlüsse für die Hochspannung und zwei NIMAnschlüsse für die Signale oder andere Niedervoltelektronik.
Für die magnetischen Eigenschaften ist das Rohr in einem Bereich von 180 cm mit einem 40-adrigen Flachbandkabel 34 mal umwickelt (N
= 1360).
So soll ein Feld erzeugt
werden, um das Erdmagnetfeld zu minimieren (vergleiche Abschnitt 2.4). Da die Länge
eines 20" PMTs inklusive seiner Elektronik den Durchmesser des Rohres erreicht, erlaubt
dieser Teststand nur eine parallele Ausrichtung des PMTs zur Achse. Die Spule muss
für eine Abschirmung des störenden Magnetfeldes entgegengesetzt zum Erdmagnetfeld
(Störfeld im Labor) ausgerichtet werden. Zuerst dient ein Kompass der Orientierung,
anschlieÿend wird eine Magnetfeldsonde genutzt. Sobald noch laufende Messungen am
optischen Teststand abgeschlossen sind und eine geeignete Magnetsonde beschat wurde, wird der magnetische Teststand an den Platz des optischen Teststandes gebracht.
Der Optische Teststand in Abbildung 3.1 liegt mit seiner Längsachse parallel zur Nord◦
Süd-Richtung. Als Herausforderung gilt es diesen Teststand um 60 zur Horizontalen
27
3 Konzeption der Teststände
Abbildung 3.2: Blick in das Innere des neuen Teststandes: OSB-Platte dient als
Boden und Rohrdeckel. Die Deckel werden mit einer Führung aus Aluminiumwinkeln eingeführt und stützen das
Rohr von innen. Für einen lichtdichten Abschluss lässt sich schwarze PVCFolie über das Ende stülpen und mit einem Spanngummi xieren. Oben links
im
roten
Kreis
ist
die
Kabeldurch-
führung zu erkennen, jedes Ende verfügt über zwei HV- und zwei NIMAnschlüsse. Daneben ist der 8"Double
Chooz PMT zu erkennen. Das Ende der
Spule wird über Krokodil-Klemmen mit
einem Netzgerät verbunden.
zu neigen, da das Erdmagnetfeld in Hamburg diese Neigung aufweist. Dabei ist sicherzustellen, dass die Elektronik und insbesondere die PMTs nicht beschädigt werden.
Die Konzeption und der Aufbau dieses Teststandes sind erfolgreich begonnen worden.
Erste Testmessungen sind möglich und bestätigten eine Lichtdichtigkeit und eine hinreichende Flussdichte des Elektromagneten. Auswertungen hierzu sind im Abschnitt 3.2.1,
4.3.2 und 4.5 zu nden.
3.2.1 Verschaltung der Spule
Die Flachbandkabel der Spule werden mit Krokodil-Klemmen an das Netzgerät angeschlossen. Zur Kontrolle des Stromes ist ein Amperemeter in Reihe geschaltet. Die Spule
kann entweder so verschaltet werden, dass
40 · 34 = 1360
Windungen in Reihe durch-
ossen werden oder so, dass zwei Adern nebeneinander kurzgeschlossen werden, sodass
zwei Spulen mit je
20 · 34 = 680
Windungen vorliegen. Diese Verschaltung ist schema-
tisch in Abbildung 3.3 angedeutet. Die Superposition der Felder ermöglicht den Betrieb
zweier ineinander gewickelter Spulen. Auÿerdem erlaubt die Parallelschaltung zweier
28
3.3 Elektronik
Abbildung 3.3: Schaltplan der beiden Schaltungen für die Spule, zur Vereinfachung wurden nur 4 Adern pro Kabel und nur eine Windung dargestellt, links: Reihenschaltung
mit 40 Adern pro Windung, rechts: Parallelschaltung zweier Adern führt zu einem
Ineinanderliegen zweier Spulen mit je 20 Adern pro Windung. Die Enden werden
mit Krokodilklemmen an das Netzgerät angeschlossen. Als graue Rechtecke sind
Steckverbinder angedeutet, die das Umschalten der beiden Schaltungen erlauben.
Gegenüberliegende Adern benden sind im elektrischen Kontakt.
Adern einen höheren Strom, da das Netzgerät maximal eine Spannung von 65 V aufbringen kann. Durch den verminderten Widerstand der Parallelschaltung ieÿt bei gleicher
Spannung ein gröÿerer Strom.
Man erwartet aus der Berechnung gemäÿ Gleichung 2.14 ein Magnetfeld von etwa dem
Dreifachen des Erdmagnetfeldes (siehe mehr dazu in Tabelle 4.2). Dieses reicht nicht nur
aus, um das Erdmagnetfeld zu kompensieren, sondern auch um Messungen durchzuführen, die eine Magnetfeldabhängigkeit von PMTs mit kleineren Radien aufzeigen.
3.3 Elektronik
Eine gemeinsame Elektronik ist an den beiden Testständen verbaut. Diese dient zur
Stromversorgung der PMTs, zur Steuerung der LED-Pulse und zur Datennahme der
PMT Signale.
29
3 Konzeption der Teststände
3.3.1 Verwendete Komponenten
Die Steuerung der Versorgung mit Hochspannung (CAEN Mod. SV127) wird mittels
eines Laborrechners durchgeführt. Die Signale am PMT werden über Splitterboxen von
der Hochspannung getrennt. Dies geschieht oft direkt am Fuÿe des PMTs durch eine
im sogenannten Socket verbaute Elektronik, kann aber auch durch externe Elektronik
erfolgen. Dieser Socket ist für jedes verwendete PMT-Modell ein unterschiedlicher. Das
getrennte Signal wird über ein Fan in/Fan out -Modul (LeCroy 428F) vervielfältigt. So
ist die Kontrolle über ein Oszilloskop (Tektronix MSO 4104) parallel möglich. Eines der
vervielfältigten PMT Signale wird in ein Diskriminator (CAEN N844) zu einem NIMSignal verarbeitet. Dies ist ein Standard für ein binäres Signal. 0 entspricht 0 V und 1
entspricht -600 mV bis -1600 mV. Dieses NIM Signal kann als Trigger des ADC (CAEN
N957) dienen. Dieser wird mit dem PMT-Signal aus einem der getesteten Verstärker
gespeist. Ein Test der verwendeten Verstärker ist in Abschnitt 4.2 nachzulesen. Der
Frequenzgenerator (Aligent 81130A) versorgt die LED (G-Nor GNL-3014BC-1) mit einer
Spannung von 1 V und im photonenemittierenden Zustand mit einer Spannung von
1.4 V. Der Frequenzgenerator liefert ein TTL-Trigger-Signal, dies ist ein positiver binärer
Signalstandard. Dieses Signal muss zunächst mittels eines Konverters (CAEN N89) in
ein NIM-Signal umgewandelt werden. Für eine Koinzidenzmessung kann das Signal nun
als Trigger im ADC dienen. Erweitert kann eine UND Logikeinheit (CAEN N455) dafür
sorgen, dass eine Diskriminatorschwelle zusätzlich zum LED Signal gegeben sein muss,
um eine stärkere Koinzidenz zu fordern. Der Schaltplan ist in Abbildung 3.5 schematisch
und in der Abbildung 3.4 als Fotograe zusehen.
Abbildung 3.4: Fotograe der verbauten Elektronik
30
3.3 Elektronik
Abbildung 3.5: Schema
NIM/TTL=
des
NIM/TTL
Schaltplanes.
Konverter,
HV=Hochspannung,
UND=Logikeinheit
mit
Oszi=Oszilloskop,
und-verknüpfung,
Disrm=Discriminator, AMP=Amplier/Verstärker, COM=Laborrechner.
3.3.2 Analog Digital Wandler
Um die Signale an einem ADC (Analog Digital Converter) in digitale Signale umzuwandeln, müssen sie mittels eines Verstärkers erhöht werden. Der verwendete CAEN ADC
N957 operiert in einem Bereich von 0 V bis 10 V. Für eine optimale Nutzung sollten
die Signale in diesem Bereich verteilt sein. Ohne Verstärkung liegen die Signale in einem Bereich kleiner als 1 V und nutzen somit weniger als 10 % der Auösung aus. Ein
Beispielhafter Dunkelstrompuls ist in Abbildung 3.6 zu sehen. Der CAEN N957 ist ein
sogenannter peaksensing ADC. Das heiÿt er konvertiert das im Peak festgestellte analoge Maximum in einen digitalen Wert zwischen 0 und 8009. Dies bedeutet aber, dass
keine Information über die Signalform gespeichert wird. Diese Option bieten sogenannte
Flash-ADCs. Die Umrüstung wird im Zuge dieser Arbeit aus zeitlichen Gründen nicht
durchgeführt.
Die Signalform ist für eine spätere Auswertung interessant, da an ihr erkannt werden
kann, ob ein SPE- oder MPE-Ereignis vorliegt. Bei Kenntnis der Form eines SPE kann
aus einem MPE-Signal numerische die Anzahl einzelner PE im Signal bestimmt werden.
31
Abbildung 3.6: Typischer
strompuls
Et
bei
eines
Enterprises
2000 V.
einem
PMTs,
9829B
500 mV
hohen
Dunkelhier
der
betrieben
nicht
0
entsprechen
Dunkelstrompuls.
SPE Ereignisse unterscheiden sich
hierbei
Spannung [V]
3 Konzeption der Teststände
wesentlich
in
-0.1
der
Form, Unterschiede kommen von
den
des
unterschiedlichen
Dunkelstromes
Quellen
-0.2
(vergleiche
Abschnitt 2.2). Die Breite liegt typischerweise bei 20 ns, eine steilere
Anstiegszeit
(risetime)
steht
-0.3
im
Verhältnis zu einer acheren Abklingzeit (falltime). Des Weiteren
-0.4
ist ein Nachplus zu erkennen.
-0.5
90
100
110
120
130
140
150
Zeit [ns]
3.3.3 Photonenquellen
Homogene Ausleuchtung
Zur Erzeugung der Photonen werden LEDs mit kurzen Spannungspeaks von einigen ns
versorgt. Mit einer anschlieÿender Reduzierung durch Blenden und Pollter kann so erreicht werden, dass nur einzelne Photonen den PMT erreichen.
Der optische Teststand verfügt über Linsenelemente, um den PMT homogen auszuleuchten. In ihm wird die LED GNL-3014BC-1 von der Firma G-Nor aufgrund ihrer kurzen
Ansprechzeit verwendet [20]. Ein Teststand für 20" PMTs sollte aus Kostengründen für
derartige Linsen über eine andere Methode der Aufweitung, homogenen Ausleuchtung
und Reduzierung der Lichtstrahlen verfügen.
Sogenannte Diuserbälle nden dafür weltweit Verwendung. Diese sorgen für eine homogene Aufweitung des Lichtstrahles und eine Reduzierung dessen Intensität. Ein einfacher
Nachbau lässt sich mit einem silikongefüllten Tischtennisball realisieren. Hier sind mehrere Varianten denkbar, vom geschlossenen bis zum halbierten Ball, vom transparenten
bis zum weiÿen Silikon erzielen sie unterschiedliche Resultate in der Art der Streuung.
32
3.3 Elektronik
Die LED wird so im Silikon oder Ball platziert, dass das Licht möglichst stark auf die
Photokathode gestreut wird.
Für den Teststand wurde transparentes Silikon verwendet. Ein halber Ball, mit der LED
im Mittelpunkt und die geönete Seite zum PMT gerichtet, wies das homogenste Licht
auf. Eine Vermessung der Homogenität war aufgrund der geringen Intensität mit dem
Spektrometer (PhotonControl SPM-002e) nicht möglich. Eine Wellenlängenverschiebung
durch das Silikon oder den Tischtennisball ndet in einer Gröÿenordnung von > 1 nm
statt. Bei diesem Aufbau ist der Schattenwurf der LED und der Zuleitung zu beachten
und durch schmale Drähte zu reduzieren.
Punktuelle Abrasterung
Die QE der PMTs ist nicht nur von der Wellenlänge der Photonen abhängig, sondern
auch von der Position des eintreenden Lichtes auf der Photokathode. Eine Messung
dieser Ortsempndlichkeit benötigt eine punktuelle Ausleuchtung, die über die Fläche
des PMT gerastert werden kann.
Hierfür wurde ein Roboterkopf Stairville MH-X25 LED Spot Moving Head gekauft.
Dieser verfügt über ein LED Flutlicht, eine Drehscheibe für Farblter und ein Schieberegister für verschiedene Eektblenden. Des Weiteren ist dieser extern über einen
Computer steuerbar.
Ein Umbau sieht vor, die weiÿe Flutlicht-LED durch eine LED niedrigerer Intensität im
Wellenlängenbereich von 430 nm zu tauschen. Denkbar wäre es, die Filter zu wechseln, sodass mit ihnen eine wellenlängenabhängige Messung möglich ist. Ob dieser Roboterkopf
aufgrund seines magnetischen Feldes für den Teststand geeignet ist, wird in Abschnitt
4.3.3 weiter untersucht.
Frequenzgenerator
Für die Bestimmung der Rate des Frequenzgenerators wurde das Triggersignal nicht
als Trigger, sondern als Signal an den ADC angeschlossen und für 1.5 min eine Messung gestartet. Mit der Einstellung Pattern Mode wurde ein Signal erstellt, das zuerst
32 − 1 + 512 = 543 0-Einträgen (kein Signal) gefolgt wird, diese werden über eine Funktionsbreite BF aufgetragen. Eine Varianz
der Pulsbreite BP (≤ BF ) ergab eine Abhängigkeit der Signalfrequenz, die der Tabelle
eine 1 (Signal) liefert, welche dann von ca.
3.1 zu entnehmen ist. Diese Frequenzen sind für die Auswertung wichtige Kenngröÿen.
33
3 Konzeption der Teststände
BF [µs]
Frequenz [Hz]
2
919 ± 4
612 ± 3
459 ± 3
368 ± 2
3
4
5
Tabelle 3.1: Durch ein Messen der Anzahl der Triggersignale am ADC ist eine Abhängigkeit der Funktionsbreite
BF
von der Rate an Pulsen aufgetragen. Als Breite ist die
Intervallbreite der Funktion des Generators gemeint, diese ist unabhängig von der eigentlichen Pulsbreite
BP ,
die eine Spannung auf die LED induziert, sondern steht im
Zusammenhang mit dem Abstand zwischen den LED-Pulsen. So ist ein schnelles und
einfaches Überschlagen der Ereignishäugkeit
λ möglich. Der relevante Fehler in dieser
Messung ergibt sich aus der Statistik der Ereignisse.
34
4 Charakterisierung des Teststandes
Die Messungen dienen überwiegend dazu den neuen Teststand auf seine Verwendbarkeit
zu prüfen und zu kalibrieren.
Das Spektrum verwendeter LEDs wird auf seine Eignung für die Teststände untersucht.
Die elektrische Spule wird durch einen Auftrag von B(I) kalibriert und der Verlauf des
Feldes mit den Erwartungen verglichen. Zur automatischen Abrasterung der Photokathode wird ein Roboterkopf (Moving Head) auf eventuelle magnetische Störfelder untersucht. Eine Messung im alten Teststand wird vorgenommen, um ein allgemeines Verfahren zur Auswertung der aufgenommenen Daten vorzustellen und anzuwenden. Dabei
sollen Informationen gewonnen werden, die zeigen, ob Messungen von SPE- oder MPEEreignissen dominiert werden. Abschlieÿend wird auf aktuelle Entwicklungen im Labor
eingegangen.
4.1 Vermessung der LED-Spektren
Wie bereits in Abschnitt 2.2 erläutert, ist die Wellenlänge der Photonen entscheidend
für die Nachweiswahrscheinlichkeit durch die Photokathode. LEDs eignen sich aufgrund
der geringen Kosten, der kurzen Frequenzbreite von einigen wenigen zehn nm und
der Eigenschaft einige ns breite Lichtpulse zu erzeugen als künstliche Photonenquelle.
Um die gewünschte Wellenlänge von 430 nm zu erreichen, werden mehrere LEDs auf ihr
Spektrum untersucht. Dazu dient das Spektrometer SPM-002e der Firma PhotonControl, ausgeliehen vom Institut für Laserphysik der Universität Hamburg. Da dieses Gerät
der Aufnahme von Laserspektren dient, die LEDs aber mit geringsten Lichtmengen betrieben werden, sind Messungen der Intensität vernachlässigt worden.
Das Spektrum der blauen LED (G-Nor GNL-3014BC-1) ist direkt im Aufnahmeprogramm des Spektrometers in Abbildung 4.1 zu erkennen. Ein Fit ergab ein Maximum
von ungefähr 465 nm. Dieser Wert ist um 5 nm geringer als die Herstellerangabe von
470 nm. Der Gauÿt des Aufnahmeprogrammes trit das asymmetrische Spektrum nicht
im Maximum und bietet keine Information zur Fitgenauigkeit. Im Spektrum lässt sich
35
4 Charakterisierung des Teststandes
Abbildung 4.1: Datenaufnahme und Fit direkt im Auswertungsprogramm des Spektrometerherstellers (PhotonControl (SPM-002 e)). Bei der LED wurde die LED GNL3014BC-1 von der Firma G-Nor untersucht, 470 nm werden als Wellenlänge von
Hersteller angeben. In schwarz das aufgenommene Spektrum. In Türkis der Fit des
Spektrums, er ergab ein Maximum bei 464 nm.
erkennen, dass ein Photon mit 430 nm stark unterdrückt oder sogar nicht zu erwarten ist. Für einen Einbau in die Container ist diese LED somit nicht geeignet. Ein
deutlich erkennbarer Anteil der Intensität im Wellenlängenbereich von 430 nm sollte
vorhanden sein, um für die Teststände in Frage zu kommen, was hier nicht der Fall
ist.
Eine violette LED (aqua style actinic violet) liegt mit einer Angabe von 418 nm bis
4 nm nahe an den 430 nm, dass man bei einer gewissen Breite mit solchen Photonen
rechen kann. Ein aufgenommenes Spektrum in Abbildung 4.2 zeigt ein Maximum bei
(391.5 ± 0.1) nm bei einer Breite von ungefähr 10 nm, so ist diese LED geeignet für eine
Kalibrierung der PMTs, da diese hier ein Maximum in der QE zeigen. Informationen
über die Ansprechzeiten, also die Reaktionsfähigkeit, für einige ns breite Pulse, liegen
nicht vor.
Diese Untersuchungen zeigen, dass für einen endgültigen Einbau der LED nicht nur auf
schnelle Ansprechzeiten für kurze Lichtpulse geachtet werden muss, sondern auch darauf,
dass die Spektren in einem Bereich liegen, in dem der PMT kalibriert werden soll. Die
Spektren der Herstellerangaben der LED weichen teilweise stark von den im Labor gemessenen Werten ab, sodass hier eine Kontrolle unabdingbar ist.
36
Intensitaet
4.2 Untersuchung der Verstärkereigenschaften
175
170
165
160
155
150
145
370
380
390
400
410
420
Wellenlaenge [nm]
Abbildung 4.2: Spektrum der lila LED aqua style actinic violet (420 nm). Ein gauÿförmiger Peak besitzt sein Maximum bei
(391.5±0.1) nm mit einer Breite von ∼ 10 nm.
Dies weicht um mehr als das Doppelte von seiner Breite der Herstellerangabe ab.
Das hohe Rauschen kommt durch die geringe Intensität der LED zu Stande.
Für das Teststandcontainersystem ist auch ein mehrfacher Verbau von LEDs denkbar.
Einerseits so, dass eine LED mit der im JUNO-Detektor erwarteten Wellenlänge von
430 nm und eine LED im Bereich der besten QE des PMTs bei ungefähr 400 nm (vergleiche Abbildung 2.2) verbaut werden. Anderseits so, dass die gleichen LEDs mehrfach
verbaut werden, um eine erhöhte Lichtmenge im selben Zeitraum zu erhalten, ohne
die Pulsbreite erweitern zu müssen (vergleiche Abschnitt 4.4.3). Beide Varianten stehen unabhängig voneinander und werden durch den Technischen Aufbau limitiert. Die
homogene Ausleuchtung muss gewährgeleistet werden (Moving Head: Punktquelle des
Lichtes versus mehrere 3 mm LED-Köpfe nebeneinander).
4.2 Untersuchung der Verstärkereigenschaften
Wie in Abschnitt 3.3 bemerkt wurde, ist eine Kenntnis der Signalform bei der Auswertung von groÿem Vorteil. Um diese Möglichkeit in den aktuellen Teststand zu integrieren,
ist nicht nur ein Flash-ADC nötig, sondern auch ein Verstärker, der die Pulsform erhält,
dies ist bei dem zuerst verbauten Verstärker nicht der Fall.
37
4 Charakterisierung des Teststandes
Um einen geeigneten Verstärker auszuwählen, werden alle im Labor bendlichen Verstärker auf ihre Formerhaltungseigenschaften und die daraus resultierenden Dunkelstromspektren untersucht. Dazu dient ein Oszilloskop, das die Formen vom PMT-Signal und
dem verstärkten Spannungssignal aufzeichnet. Die Signale dreier genau betrachteter Verstärker sind in Abbildung 4.5 zu sehen. Gleichzeitig wurde von allen Verstärkern ein
Dunkelstrom-Histogramm aufgenommen, welches Aufschluss zu der Eignung der Verstärker liefert. Der PMT ET Enterprises 9829SB wurde mit 2000 V Hochspannung versorgt. Der ADC wurde für diese Messungen mit einer Diskriminatorschwelle von 50 mV
getriggert.
Abbildung 4.3 zeigt ein Signal mit Verformung des Pulses, des bis jetzt verwendeten Verstärkers mit der Nummer 721214 der Universität Hamburg. Das Ursprungssignal wird
in eine Gauÿglocke verformt, wodurch wichtige Informationen verloren gehen. Dennoch
liefert dieser Verstärker zunächst als Einziger den erwarteten Dunkelstromverlauf. In
Abbildung 4.4 ist dieser in logarithmischer Skalierung zu sehen. Unbekannt ist, ob die
Signalverformung linear mit dem Flächeninhalt oder der Peakhöhe stattndet, sodass
eine Interpretation der Messwerte eine groÿe Unsicherheit enthält. Aufgrund der Verzögerung von 100 ns und einer Verbreiterung des Signals von 10 ns auf 50 ns ist auÿerdem
die verminderte Zeitauösung als Dezit dieses Verstärkers zu beachten. Denn so können
Nachpulse oder zeitlich leicht versetzte (100 ns) Mehrfachsignale nicht detektiert werden.
In Abbildung 4.5 ist ein Puls des LeCroy SIX Channel 612AM Ampliers zu sehen. Dieser
zeigt eine sehr gute Formerhaltung und eine Reaktionszeit von ungefähr 15 ns. Nachteilig,
und darum für die Verwendung ungeeignet, macht ihn seine geringe Verstärkung von < 2.
Eine Nutzung als Vorverstärker bleibt denkbar.
Der CAEN 4CH Variable Gain Fast Amplier N978 zeigt in der Abbildung 4.5 ein ähnlich schnelles Ansprechverhalten. Aufgrund der höheren Verstärkung von vier bis fünf
zeigt die Formerhaltung Übersteuerungsattribute. Sein Dunkelstromspektrum entspricht
nicht den Erwartungen für ein Spektrum ohne Lichtquelle (vergleiche Abbildung 2.4).
Das liegt daran, dass die Spannungssignale negativ sind, der ADC N957 von CAEN aber
nur positive Spannungspeaks erkennt. Zu sehen ist also kein Dunkelstromspektrum, sondern ein Spektrum der überschwingenden Spannung, die gröÿer Null Volt sind. Um eine
weitere Rauschquelle zu verhindern, sollte auf den Einbau einer invertierenden Elektronik verzichtet werden. Sie kann aber, falls nötig, mit diesem Verstärker Verwendung
nden.
Eine interne Invertierung im Verstärker verspricht ein geringeres Rauschen. Der Ortec
Timing Filter Amplier 474 bietet diese Option. Ein Signal von ihm ist in Abbildung 4.5
ohne Invertierung zu sehen. Dieser Verstärker ist um wenige ns langsamer als der LeCroy
SIX Channel 612AM Amplier und der CAEN 4CH Variable Gain Fast Amplier N978.
Die Formerhaltung ist auch bei einer Verstärkung von ungefähr fünf noch gegeben. Aus
38
Spannung [V]
4.2 Untersuchung der Verstärkereigenschaften
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
-0.4
200
400
600
800
1000
1200
Zeit [ns]
Abbildung 4.3: Der Verstärker mit der Nummer 721214 der Universität Hamburg liefert
eine Gauÿform des Signals und nicht die ursprüngliche Form des Signals. Bekannt
ist nicht, ob hier die Höhe oder die Ladung (Fläche) des Peaks proportional zur
Höhe des verstärkten Signales ist. Des Weiteren ist dieser so langsam, dass mehrere
Signale unkenntlich überlagert werden könnten.
diesen Gründen wird dieser Verstärker in der weiteren Messung seinen Einsatz in der
Teststandelektronik nden.
Die Teststände werden zunächst mit dem Ortec Timing Filter Amplier 474 und dem
peaksensing ADC N957 betrieben, sollten aber mit einem Flash-ADC erweitert werden.
Zukünftig ist die Elektronik, die in der Universität Tübingen für die Container entwickelt
wird auch für die beiden Teststände im Labor geplant. Sinnvoll ist dies, da bei dem Test
der Verstärker ein groÿer Unterschied zwischen ihnen aufgefallen ist und viel Arbeit
nötig ist, um vergleichbare Ergebnisse von unterschiedlicher Elektronik zu erzielen. Die
Tübinger Elektronik wird direkt auf die Anforderungen der Teststände zugeschnitten
sein.
39
4 Charakterisierung des Teststandes
Ereignisse
Dunkelstrom Messung des Grauen Uni Hamburg Amplifiers
102
10
1
0
200
400
600
800
1000
Kanal
Abbildung 4.4: Der Verstärker mit der Nummer 721214 der Universität Hamburg zeigt
als Einziger das zu erwartende Dunkelstromspektrum (vergleiche Abbildung 2.3),
jedoch ist er auch derjenige, der keine Formwiedergabe gewährleistet. Zu beachten
ist die logarithmische Darstellung der Ereignisanzahl.
40
0
-0.2
Spannung [V]
Spannung [V]
Spannung [V]
4.2 Untersuchung der Verstärkereigenschaften
0
-0.2
-0.2
-0.4
-0.4
-0.4
-0.6
-0.6
-0.8
-0.8
-1
-0.6
-0.8
-1
-1
-1.2
-1.2
-1.2
-1.4
-1.6
-1.8
20
40
60
80
100
-1.4
-1.4
-1.6
-1.6
-1.8
-1.8
20
40
60
80
100
Zeit [ns]
(a) LeCroy SIX-Channel
0
20
40
60
80
100
Zeit [ns]
(b) CAEN Fast Amp
Zeit [ns]
(c) Ortec Timing Filter
Abbildung 4.5: Zu sehen sind drei Beispielsignale des PMTs mit dem um 0.6 V ins negative verschobenen, dazugehörigen Spannungssignal der Verstärker. Von links nach
rechts sind der LeCroy Six Channel 612AM Amplier, der CAEN Fast Amplier
N978 und der Ortec Timing Filter AMP 474 zu sehen. LeCroy zeigt die geringste
Verstärkung und beste Formerhaltung, CAEN die schnellste Signalverarbeitung und
Ortec gliedert sich bei den Werten in der Mitte ein. Ortec bietet als Einziger, die
interne Möglichkeit auf eine Signalinvertierung, die für den CAEN ADC N957 nötig
ist, aber wurde für die Vergleichbarkeit der Signale hier nicht angewendet.
41
4 Charakterisierung des Teststandes
4.3 Untersuchung vorliegender Magnetfelder
Im Folgenden werden Messungen und Auswertungen von verschiedenen Magnetfeldern
beschrieben. Zu einem von dem Magnetfeld der Spule in Stärke und Verlauf zum anderen
von Störfeldern des MH-X25, der als neue Photonenquelle den Einsatz nden soll. Für die
Messungen werden zuerst die verwendeten Sonden untersucht.
4.3.1 Die Magnetsonden
Für die Auswertung stand keine eigene Sonde zur Verfügung, sondern zwei geliehene
einachsige Hallsonden. Eine Kalibrierungsgerade (B(I)) der Spule diente zunächst dazu,
die beiden Hallsonden zu vergleichen und eine Empfehlung für eine Anschaung einer
eigenen Sonde auszusprechen. Die erste Sonde, 33110 der Firma 3B Scientic, wurde
dem physik.begreifen Labor des DESY-Hamburg entliehen. Diese Hallsonde bietet eine
maximale Auösung von
wird vor der Benutzung
10 µT. Der Messbereich ermöglicht nur relative Messungen und
mittels eines Reglers auf einen Wunschwert (0 µT) gestellt. Sie
besitzt zwar eine zweiachsige Probenspitze, pro Messung kann nur eine Achse verwendet
werden. Die zweite Hallsonde, MPT-141 der Firma group3, wurde von der MEA 1 Gruppe des DESY-Hamburg ausgeliehen. Auch diese Hallsonde misst einachsig, erreicht aber
5 µT. Sie muss vor der Verwendung in einer Nullgauÿkammer (µ-Metallrohr, 1Gs = 0.1mT) kalibriert werden. Nach einer Zeit bildet sich ein oset
eine doppelte Auösung von
und ermöglicht somit auch nur noch eine relative Messung.
Bei der Verwendung der group3 MPT-141 Hallsonde el ein unterschiedliches Messverhalten in den verschiedenen Auösungsbereichen auf. Vermessen wurde die Spule bei
einer Reihenschaltung. Die Ergebnisse der vier Einstellungen der Sonde sind in Abbildung 4.6 zu sehen. Der Oset, ein sich von Null unterscheidender Messwert, wenn Null
erwartet wird, von 230 µT bis 420 µT war nicht richtungsabhängig, schlieÿt also ein externes Feld aus. Die Kalibrierung lag bei der Messung bereits vier Tage zurück. Eine
Magnetisierung der Hallsonde wird vermutet.
Da keine Beurteilung des korrekten Messverhaltens direkt ersichtlich war, wurde bei
der weiteren Verwendung dieser Sonde der Messbereich mit der geringsten Auösung
verwendet. Die Auösung stellt in den Messungen den gröÿten Fehler dar und sollte so
im Vergleich zu der anderen Sonde reduziert werden.
Betrachtet man die Ergebnisse mit der Berechnung in Abschnitt 3.2.1, erwartet man für
die Steigung der Kalibrierungsgerade einen Wert von 0.866 µT/mA. Dazu wurde die relative Flussdichte B in Abhängigkeit vom Spulenstrom I vermessen. Die Steigung der Geraden von den Messbereichen mit den Einstellungen 'range0.6T' und 'range3.0T' stimmt in
ihrem Fehlerbereich mit dem erwarteten Wert überein und wäre eine bessere Wahl gewesen. In Tabelle 4.1 sind diese Werte für alle Einstellungen zu sehen.
42
4.3 Untersuchung vorliegender Magnetfelder
Auösung [µT]
Steigung [µt/mA]
range0.3T
5
range0.6T
10
range1.2T
20
range3.0T
50
0.454 ± 0.018
0.881 ± 0.034
0.603 ± 0.043
0.838 ± 0.094
Messbereich
Tabelle 4.1: Einstellungen für die unterschiedlichen Messbereiche der group3 Hallsonde
mit der jeweiligen Auösung und der erreichten Kalibrierungssteigung für eine Reihenschaltung der Spule. Erwartet wird eine Steigung von
(0.866 ± 0.005) µ /
t
mA
.
Die Arbeitsgruppe entschied sich für eine Neuanschaung einer Fluxgate Magnetsonde,
eine Empfehlung der Universität Aachen, die bereits für ähnliche Zwecke die gleiche
Sonde verwenden, befürwortete die Entscheidung. Diese Sonde bietet eine vom Computer
gesteuerte Datennahme und eine Auösung im pT Bereich. Dabei erfolgt die Messung
in drei Achsen gleichzeitig. So ist die Bestimmung des Erdmagnetfeldvektors leichter
möglich. Diese Sonde sollte nicht gröÿeren Feldern als 200 µT ausgesetzt werden. Bei
der Spule ist darauf zu achten, dass hier keine Felder erreicht werden (bei maximalen
Spulenstrom IS möglich), die die Sonde schädigen könnten.
43
4 Charakterisierung des Teststandes
Abbildung 4.6: Vergleich der verschiedenen Messbereiche der group3 Magnetsonde. In
jeder Einstellung ist eine Linearität des Feldes im Zusammenhang zur Stromstärke
zu beobachten. Die Steigungen weisen, wie die Oset-Werte, Abweichungen von
50 %
zum Maximalwert auf. Eine absolute Bestimmung des Magnetfeldes war mit
dieser Sonde aufgrund des Osets nicht durchzuführen. Alle weiteren Messungen
wurden mit der Auösung von
5 µT
durchgeführt (Geräteeinstellung: Range0.3T).
4.3.2 Charakterisierung der Spule des magnetischen Teststandes
Um den Teststand ordnungsgemäÿ benutzen zu können, muss das durch die Spule
erzeugte Magnetfeld bekannt sein. Dafür wird eine Kalibrierungsgerade B(I) aufgenommen, um aus der anliegenden Spannung eine Flussdichte berechnen zu können.
Neben der Flussdichte ist auch die Homogenität des Feldes wichtig und wird untersucht.
Die Spule wurde in der weiteren Vermessung der Kalibrierungsgerade auf eine Parallelschaltung umgestellt, um maximale Werte für die Flussdichte zu erhalten. Die Messung
mit der 3B Scientic Sonde ergab eine Steigung von 0.426 µT/mA mit einer Abweichung
von
± 3,
erwartet wird eine Steigung von 0.433 µT/mA. Der erwartete Wert stellt durch
eine Idealisierung des Modells einen Maximalwert dar und wird experimentell mit 98.4 %
Abweichung erreicht, siehe dazu die Tabelle 4.2.
Die Überprüfung des Feldverlaufs fand aufgrund der Zylindersymmetrie der Spule auf
zwei Achsen statt. Eine Inhomogenität längs der Spulenachse ist zu erwarten (vergleiche Abbildung 2.8). Die group3 Hallsonde misst mit einer Auösung von 5 µT, für die
Messung wurde sie in der Mitte der Spule platziert, welche parallel geschaltet wurde.
44
4.3 Untersuchung vorliegender Magnetfelder
Windungzahl
Is
[mA]
Parallelschaltung
100
20 · 34 = 680
n = / =378
200
N=
N
L
300
366
400
Reihenschaltung
40 · 34 = 1360
n = / =756
N=
N
L
20
40
60
89
100
/
Btheo [µT]
Bexp [µT]
43.3 ± 0.2
86.6 ± 0.5
129.9 ± 0.7
158.5 ± 0.9
173 ± 1.0
17.3 ± 0.1
34.6 ± 0.2
52.0 ± 0.3
77.1 ± 0.4
86.6 ± 0.5
43.5 ± 0.3
86.5 ± 0.6
129.5 ± 0.7
157.8 ± 1.1
2.9
-
3.2
10 ± 5
30 ± 5
50 ± 5
75 ± 5
0.3
1.4
-
1.6
Btheo
BErd.
0.8
1.6
2.4
0.6
1.0
Tabelle 4.2: Berechnung der erwarteten Werte für die Flussdichte in der Mitte der Spule. Fett geschrieben ist die Stromstärke, die bei der jeweiligen Schaltung höchstens
erreichbar ist. Diese wird durch eine maximale Spannung des Netzgerätes von 65 V
begrenzt. L wurde zu
180 ± 1 cm
bestimmt. Eine Parallelschaltung erlaubt, die Span-
nung bei gleichbleibendem Strom zu reduzieren. Für die experimentellen Werte in der
Parallelschaltung wurde die Kalibrierungsgerade
0.43 · x + 0.46
bestimmt und die Wer-
te der Tabelle interpoliert. Bei der Reihenschaltung wurden direkt die Messergebnisse
der group3 Sonde mit der Einstellung range0.6T und deren Auösungsvermögen als
Fehler verwendet. Eine Normierung des erwarteten Flusses auf einen Wert von
54 µT,
für das Erdmagnetfeld im Norddeutschenraum, ist ebenfalls angegeben.
Radial zur Spulenachse war keine Veränderung bei der gewählten Auösung messbar.
Parallel zur Spulenachse ergab sich ein Verlauf, der in Abbildung 4.8 zu erkennen ist.
Am Rand der Spule ist das Feld wie erwartet um die Hälfte des Wertes der Spulenmitte
gesunken. Eine Homogenität liegt in der Spulenmitte mit dem Maximalwert in einem
ca. 40 cm langen Bereich vor.
Der vom Magnetfeld besonders stark beeinusste Teil des PMT ist der Bereich zwischen
Photokathode und erster Anode, dieser ist ungefähr 60 cm lang. Die Geometrie des inneren Aufbaus des Teststandes sollte deshalb bei Messungen beachtet werden, sodass der
Kopf des PMTs in der Mitte der Spule platziert wird (vergleiche Abbildung 4.11). Mit
einer Sonde höherer Auösung sollte diese Homogenität in der Mitte erneut vermessen
werden. Für eine endgültige Magnetfeldabschirmung ist die Ausrichtung des Teststan◦
des entgegen des Erdmagnetfeldes nötig. Problematisch wird hier die Neigung um 60
horizontal zum Boden.
Der erwartetete Verlauf des Feldes weist in einem Bereich von 60 cm in der Mitte der
Spule mit einem Wert von ca. 55 µT Abweichungen von maximal 0.8 µT auf. Dieses
entspricht, wenn das Erdmagnetfeld gleichmäÿig über und unter kompensiert wird, einer
Abschirmung auf 1.5 % des ursprünglichen Wertes.
45
4 Charakterisierung des Teststandes
Abbildung 4.7: Messung zur Flussdichteabhängigkeit der Spule vom Strom rot: Gemessen mit der group3 Hallsonde im Messbereich "range0.3T". Ein Oset von 227 µT
ist zu beobachten. Blau: vermessen mit der 3B U33110 Hallsonde. Diese wurde manuell auf ein Nullniveau gestellt, misst also nur relative Flussdichten. Die Messung
stimmt mit dem in der Rechnung ermittelten Flussdichtebetrag von ungefähr 160 µT
überein. Die beiden Messungen unterscheiden sich in ihrer Steigung um ca. 51 %.
Der Fehler durch die Fitgüte der beiden Steigungen beträgt aber weniger als 0.7 %.
Es konnte gezeigt werden, dass die Wicklung und Inbetriebnahme der Spule erfolgreich
war. Eine erste Kalibrierung der Spule konnte trotz fehlender eigener Sonde durchgeführt
werden. Der erwartete Wert von
157, 8 µT
der Spule wurde in einer relativen Messung
erreicht. Der ungefähre Verlauf des Feldes innerhalb des Teststandes konnte ebenfalls
gezeigt und bestätigt werden.
46
4.3 Untersuchung vorliegender Magnetfelder
Abbildung 4.8: Verlauf des Magnetfelds von der Spulenmitte bis 50 cm auÿerhalb des
Teststandes, ein Oset (Wertverschiebung von Null ohne künstliches Feld) von
225 µT lag vor, wurde aber für die Darstellung mit dem erwarteten Feldverlauf
verschoben und auf 160 µT normiert, da die Sonde Absolutwerte nicht bestimmen
konnte. Der erwartete Verlauf und die Messung stimmen gut überein. Man sieht,
dass nur ein kleiner Bereich von 40 cm Länge in der Spulenmitte ansatzweise homogen ist und dass das Feld am Rande der Spule auf die Hälfte herabfällt. Die grün
schraerte linke Fläche ist der Bereich des Teststandes, der von der Spule umwickelt
ist. In der Mitte ist der Bereich orange schraert, in dem sich der Teststand ohne
Spule weiter erstreckt und der rechte weiÿe Bereich liegt auÿerhalb des Teststandes.
4.3.3 Magnefeld des 'Moving Head' als Lichtquelle
Im neuen magnetischen Teststand soll eine punktuelle, systematisch rasternde Ableuchtung der PMT-Photokathode mit dem Roboterkopf Mh-X25 möglich sein.
Da dieser Roboterkopf als Unterhaltungselektronik entwickelt wurde, liegen keine Dokumentationen über sein Magnetfeld vor. Er muss aber in den magnetfeldfreien Teststand
integriert werden. Abbildung 4.11 zeigt die innere Geometrie des Teststandes, hinterlegt
mit dem Feldverlauf der Spule. Er wird sich ungefähr einen halben Meter entfernt vom
PMT benden und darf keine Ablenkung der Primärelektronen in ihm verursachen. Seine Flussdichte sollte bei der Entfernung, in der der PMT stehen wird, nicht mehr als ein
Zehntel eines
µT
betragen. Die genauen Einwirkungen von Magnetfeldern auf die QE
47
4 Charakterisierung des Teststandes
Abbildung 4.9: Der Verlauf der relativen Flussdichte wurde direkt am Gehäuse des MHX25 vermessen. Die Sonde wurde im Kontakt mit dem Metall von der Linse bis zum
Ende des Kopfes geführt. Zu erkennen ist ein relativer Ausschlag von ungefähr 40,µT
in der Mitte des Gehäuses. Die Messreihen unterscheiden sich in der Ausrichtung
der Sonde, also ob eine positive oder negative Flussdichte gemessen wurde.
von PMTs wurden im Abschnitt 2.3 besprochen. Bevor der MH-X25 umgebaut wird,
sollte geprüft werden, ob er diesen Anforderungen genügt.
Der MH-X25 wird dazu dienen, die Ausrichtung des integrierten Linsensystems als punktuelle Lichtquelle zu steuern und gegebenenfalls einen Filterwechsel für eine Frequenzlterung durchzuführen. Wird eine LED extern über einen Frequenzgenerator betrieben,
sollte eine Messung der PMTs im ausgeschalteten Zustand des MH-X25 möglich sein.
Vermessen wurden magnetische Felder, die auÿerhalb des Gehäuses messbar waren. Der
Unterschied zwischen dem eingeschalteten und dem ausgeschalteten Zustand wird untersucht. Ein Vermessen während des Betriebes der Elektromotoren war aufgrund der
damit verbundenen Bewegung des Kopfes nicht möglich, wird aber für die Messungen
des PMTs nicht aktiv sein.
Als Sonde wurde die im Abschnitt 4.3.2 näher untersuchte group3 MOT-141 Hallsonde
verwendet. Die Messungen fanden auf einem Podest geringer magnetischer Permeabilität
(Holz
∼ 1 /
H
) in der Mitte des Labors in möglichst gröÿter Entfernung zu Störquellen
m
statt. Dabei wurden Messungen in Ost-West-Richtung durchgeführt, um die Komponente des Erdmagnetfeldes zu minimieren.
48
4.3 Untersuchung vorliegender Magnetfelder
Abbildung 4.10: Vermessen wurde das Feld senkrecht zum Gehäuse, der Ursprung liegt
bei den Drehachsen des Kopfes. Die Felder für die verschiedenen Drehachsen unterscheiden sich nicht wesentlich im Verlauf. Zu sehen ist ein lineares Abklingverhalten auf das Umgebungsfeld nach 10 cm. Die Messreihen unterscheiden sich in der
Ausrichtung der Sonde, also ob eine positive oder negative Flussdichte gemessen
wurde.
Das Magnetfeld zeigte bei einer Auösung von
5 µT
keine Abweichung im ausgeschal-
teten Zustand verglichen zum eingeschalteten. Um magnetische Felder innerhalb des
Gerätes zu nden, wurde die Hallsonde im Kontakt entlang des Gehäuses geführt. Ein
relatives Maximum von ca. 40 µT bendet sich in der Mitte des Gehäuses, wie in Abbildung 4.9 zu erkennen ist. Diese Quelle des Feldes sollte bei dem Umbau des Gerätes
genauer untersucht werden. Von auÿen ist kein Ursprung der Quelle abzuschätzen. Diese
kann vielleicht entfernt oder abgeschirmt werden.
An sichtbaren Quellen für Magnetfelder wie den Ventilatoren, den Drehachsen und dem
Netzteil wurde der Fluss orthogonal zum Gehäuse gemessen. Die wichtigsten Vermessungspunkte sind in der Abbildung 4.12 dokumentiert. Viele dieser Felder sind nach
6 cm
nicht mehr messbar gewesen. Die Vermessung der Drehachsen, als gröÿtes gefundenes
Magnetfeld, ist in Abbildung 4.10 zu sehen. Dies gleicht sich nach 10 cm dem Oset des
Messinstrumentes an. Die drei Drehachsen unterscheiden sich bei einer Auösung von
5µT nicht messbar in ihren Feldern.
49
4 Charakterisierung des Teststandes
Abbildung 4.11: Veranschaulichung der Teststand Geometrie. In der Mitte der Spule im
Bereich der höchsten Flussdichte mit genäherter Homogenität des Feldes steht der
PMT. In diesem Bereich wird das Erdmagnetfeld kompensiert werden. Der PMT
ist mit 20" oder ca. 50 cm im Durchmesser so groÿ, dass er den Teststand nahezu
komplett ausfüllt. In maximaler Entfernung steht der Moving head , um eine
Störung durch Magnetfelder zu minimieren. Für ein homogenes Ausleuchten sollte
der MH-X25 auch mindesten in einer Entfernung stehen, die dem Radius des PMTs
von R=31.5 cm entspricht. Im Hintergrund ist der erwartete Feldverlauf der Spule
aus Abbildung 2.8 zu sehen.
Eine erneute Vermessung des MH-X25 ist, wenn das Erdmagnetfeld in der Spule kompensiert wurde und eine präzisere Sonde zur Verfügung steht, zu wiederholen. Mit der vorhandenen Elektronik lässt sich abschätzen, dass das Feld nach
40 cm auf einen minimalen
Wert gesunken ist, um den Betrieb des PMTs nicht zu stören.
Zur Verdeutlichung der Entfernung sei an Abbildung 4.11 erinnert. Sollte die Flussdichte in den ersten 10 cm um 45 µT auf einen Wert der Erdmagnetussdichte von 50 µT
gesunken sein, lässt sich vereinfacht folgende Annahme machen: Das Feld wird in den
nächsten 10 cm vom Wert des Erdmagnetfeldes auf Null sinken. Zusätzlich wird noch
eine Toleranz von 20 cm hinzugegeben, dann bendet sich die PMT-Photokathode, wenn
diese 50 cm vom MH-X25 entfernt steht, noch weitere 10 cm zum extrapolierten Nullpunkt entfernt. Der Ausbau des MH-X25 kann also vorgenommen werden, ohne auf das
Eintreen einer eigenen Sonde zu warten, oder zu befürchten, dass sein Feld zu stark für
das Vorhaben ist.
50
4.3 Untersuchung vorliegender Magnetfelder
Abbildung 4.12: Skizzen des MH-X25 [22]. Nachträglich eingezeichnet sind die Vermessungspunkte 1: Die Längsachse des Kopfes, der von der Linse bis zum unteren Ende
im Kontakt mit der Sonde vermessen wurde. Die Ergebnisse sind der Abbildung
4.9 zu entnehmen. 2: Die drei Drehachsen sind in Abbildung 4.10 exemplarisch
aufgetragen. Hier wurde senkrecht zum Gehäuse vermessen. 3: Stellt die Punkte
dar, die aufgrund ihrer verbauten Elektronik (Ventilator, Netzgerät) Magnetfeldquellen vermuten lieÿen. Hier wurden Felder gemessen, die innerhalb von wenigen
cm nicht mehr aufzulösen waren.
Um dieses Abklingen zu bestätigen ist ein erneutes Vermessen im störfeldfreien magnetischen Teststand mit der neuen Sonde nötig.
51
4 Charakterisierung des Teststandes
4.4 Charakterisierung der Photonenquelle
Im Folgenden wird ein Vorgehen beschrieben mit dem sich die Daten auf SPE- umd MPEEreignisse unterscheiden lassen. SPE-Signale dienen dazu den PMT und die Elektronik
zu kalibrieren, da hier Faktoren wie Verstärkung durch die Hochspannung linear sind. So
lässt sich auch der Kanaleintrag in eine Spannung oder Ladung umrechnen. In Abschnitt
4.4.1 wird auf eine allgemeine Möglichkeit eingegangen die ADC-Daten darzustellen und
im Abschnitt 4.4.2 diese auszuwerten. Anschlieÿend wird im Abschnitt 4.4.3 anhand von
eigenen Messungen eine Auswertung mit fehlenden Parametern in der Datenaufnahme
beschrieben.
4.4.1 Aufbereitung der Daten
Die Messdaten des ADCs werden mit ROOT, einem Analyse Programm des CERN,
und hierfür selbst geschriebenen Skripten ausgewertet. Die ADC-Daten werden graphisch in sogenannten Histogrammen dargestellt. Die Daten entsprechen einer Tabelle
aus Ereigniszeitpunkt und Kanalnummer (hier Spannungsmaximum). Im Histogramm
wird den Kanälen ihre Ereignisanzahl zugeordnet. Die Kanalnummer bezeichnet im
peak-sensing ADC den Maximalwert des vermessenen Spannungssignals. Dabei werden
die analogen Daten in einem Bereich von 0 V bis 10 V in 8010 digitale Kanäle aufgeteilt.
Die Ereigniszahl steigt proportional mit der Aufnahmedauer. Daher lassen sich die Histogramme zuerst nicht direkt vergleichen. Ein Vergleich der Raten wird im Histogramm
erst durch eine Skalierung möglich. Hierfür wird die Ereigniszahl einer Messung auf eine
genormte Messdauer umgerechnet. Indem der Zeitpunkt vom ersten und letzten Eintrag
der Messdatei ausgelesen wird, erhält man eine Dierenz, die der Messdauer entspricht.
Aus ihr und der Ereignisanzahl wird zusätzlich eine mittlere Frequenz (Rate) der Ereignisse berechnet.
Um das Histogramm auf SPE und MPE-Ereignisse zu unterscheiden, erfolgt ein Fit an
theoretische Kurven. Die hier verwendeten Kurven werden in Abschnitt 4.4.2 genauer beschrieben. Weitere mögliche Kurvenmodelle werden erläutert.
Das Fitten der Daten erfolgt vor der Skalierung. Dies verhindert einen systematischen
Fehler durch die internen Optimierungsalgorithmen der Fits. Sollten hier Normierungen
über die Integrale der Funktionen implementiert sein, ele die Skalierung negativ ins Gewicht. Sie würde den Flächeninhalt und somit das Integral verändern. Dieses Verhalten
2
könnte auch die interne Statistikberechnung für beispielsweise den χ -Wert verfälschen,
der einen wichtigen Parameter zur Beurteilung der Fitgüte darstellt. Durch das Skalieren
am Ende des Auswertungsverfahrens werden diese Möglichkeiten der Datenverfälschung
umgangen.
52
4.4 Charakterisierung der Photonenquelle
4.4.2 Auswertungsverfahren
Die Zusammensetzung aus Signal und Hintergrund wurde in Abschnitt 2.2.2 bereits gegeben, an die Poissonverteilung der Photoelektronenanzahl der MPE sei erinnert.
Im Fall von geringen erwarteten Ereignishäugkeiten
λ<1
ist eine Vereinfachung als
Summe aus bis zu drei Gauÿfunktionen möglich. Bei einem
scheinlichkeiten der Poissonverteilung für n
0.02%.
= 1 : 9.05%,
n
λ = 0.1 sind die Wahr= 2 : 0.45% und n = 3 :
Ein vierfaches Photoelektonereignis ist bereits um sechs Gröÿenordnungen un-
terdrückt, weshalb ein Betrachten der ersten drei Gauÿfunktionen eine ausreichende
Genauigkeit bietet. Die verwendeten Funktionen zur Beschreibung der Fitfunktionen
sind [13]:
(x − µ)2
· exp −
Gauÿ : = √
2 · σ2
2 · π · σ2 N
x−x
· exp −
Expo : =
τ
τ
Gesamt : = Gauÿ
+ Gauÿ
+ Gauÿ
NSPE
Exp
min
Ped
Sig, 1PE
Sig, 2PE
+ Gauÿ
Sig, 3PE
+ Expo
Untergrund
(4.1)
NSPE und NExp sind die Anzahl der jeweiligen Ereigniseinträge,
Mean-Wert und
σ
ist die Varianz der Gauÿfunktion.
τ
µ
ist der sogenannte
bezeichnet das Gefälle und xmin
den Startwert der Exponentialfunktion.
Die Histogramme werden in zwei separaten Schritten an die Gesamtfunktion gettet.
Im ersten Schritt werden die drei Fits für Pedestal, exponentiellen Untergrund und Signalteil getrennt voneinander durchgeführt. Eine manuelle Eingrenzung der Position
von Pedestal und Signalteil erfolgte. Im zweiten Schritt wird, mit den Ergebnissen dieser Fits als Startwerte für die Gesamtfunktion, der endgültige Fit durchgeführt. Durch
die Steuerung der bis zu 15 freien Parameter erhöht sich so im Idealfall die Fitgüte.
Die Güte des Fits lässt sich anhand des
χ2
Wertes abschätzen. Dieser geteilt durch die
Anzahl der Freiheitsgrade (Binanzahl minus Anzahl der freien Parameter), liegt für einen
guten Fit im Bereich von Eins, ein schlechter Fit übersteigt schnell diese Gröÿenordnung.
Einen genaueren Sachverhalt bietet hierfür der Probability-Wert, der aus Tabellen oder
Funktionen abgelesen werden kann. Dieser Wert stellt die Wahrscheinlichkeit dar, dass
der Fit nicht, durch statistische Schwankungen der Ereignisse, der Fitfunktion entspricht.
Aus diesem Grund sollte ein Vergleich dieser Werte stattnden um zu entschieden, ob
ein Fit mit nur einer Gauÿfunktion das Ergebnis sicherer beschreibt als ein Fit mit zwei
oder drei Gauÿfunktionen.
Der Mean-Wert ist besonders interessant, da er den Kanaleintrag der Gauÿfunktion
angibt. Besteht das Signal aus SPE- und MPE-Ereignissen, so sind die Positionen der
53
4 Charakterisierung des Teststandes
Gauÿfunktionen für ein n-Photoelektronenereignis um ein n
∈N
vielfaches verschoben.
Die Wahrscheinlichkeit auf die Anzahl der PE bei MPE ist poissonverteilt. Jedes nfache Photoelektronensignal ist gauÿverteilt. Sollten die Fitergebnisse keinen linearen
Zusammenhang erschlieÿen lassen, sollte trotz hinreichender Fitgüte überprüft werden,
ob die Gauÿfunktion einer anderen Quelle, vielleicht einem Rauschen der Elektronik,
entspringt.
Zur weiteren Beurteilung des Histogrammes wird die Höhe der Gauÿfunktionen betrachtet. Diese ist
H
=√
NSPE
2 · π · σ2
.
(4.2)
Erwartet wird im SPE-Ereignisbereich eine Poissonverteilung der Peakhöhen. Aus einem
Vergleich dieser Höhen von mehreren Gauÿfunktionen lässt sich auf den Verteilungsparameter der Poissiongleichung
λ
schlieÿen. Hierfür ist die Frequenz der emittierten
Photonen fe und die Frequenz der detektierten Photonen fd zu kennen. Liegt der Wert
λ=
Emitierte Photoenzahl
Pulsbreite
nicht, wie erwartet, deutlich unter Eins, sonder gröÿer-gleich Eins,
so ist mit MPE-Ereignissen zu rechnen, und ein Fit mit nur drei Gauÿfunktionen ist
nicht gerechtfertigt.
Für
λ
> 20 nähert sich die Verteilung der MPE einer Gauÿverteilung an und ähnelt der
Gauÿfunktion eines SPE Histogrammes. Ein Vergleich von
λ1
und
λ > 20 kann somit
nicht über den Verlauf des Histogrammes erfolgen und muss über die Variation der Rate
geschehen. Denn durch ein Verändern der Frequenz wird bei MPE die Gauÿfunktion
verschoben. So kann von einem SPE-Signal unterschieden werden, da dieses sich nicht
verschiebt.
4.4.3 Anwendung des Verfahrens
Zu Beginn dieser Arbeit wurde bei Tests der Elektronik durch ein Versehen der optische
Teststand geönet, während dieser mit einem PMT bei einer Hochspannung von 2000 V
betrieben wurde.
Es lässt sich abschätzen, dass beim Önen des Teststandes eine Photonenanzahl von
mehreren Gröÿenordnungen gröÿer als Eins in einem Zeitraum von wenigen ns auf den
7
Versuchsaufbau aufgetreten ist. Wird der PMT mit einer Verstärkung von 10 , bei Umgebungslicht betrieben, so wird eine extrem groÿe Elektronenanzahl auf den Dynoden
frei. Dieses ist mit einem Dauerbetrieb von vielen Jahren zu vergleichen, der ähnliche
Lichtmengen/Sekundärelektronenanzahlen erreicht. Jedoch geschieht dies in einem sehr
kurzen Zeitraum, sodass die Pulse in einen Dauerstrom übergehen. So ist mit einer
Schädigung des Dynoden- und Photokathodenmaterials zu rechnen. Bemerkbar wird
dies durch eine geringere Ezienz der Photokathode und eine verminderte Verstärkung
des Signals bei den Dynoden.
54
4.4 Charakterisierung der Photonenquelle
Ereignisse
Vegleich: vor und nach dem Lichteinfall
150_vorher
150_nachher
1000
800
600
400
200
0
100
200
300
400
500
600
Kanal
Abbildung 4.13: In grün: die Messung vor dem Önen, in rot: die Messung nach dem
Önen. Gemessen bei anliegender Hochspannung von 2000 V an dem PMT ET
Enterprises 9829SB. Beide Messungen sind auf 2.5 min normiert und wurden bei
2000 V Hochspannung und 150 ns LED-Pulsen durchgeführt. Der ADC wurde mit
einer UND-Logik getriggert, LED-Pulssignal und eine Diskriminatorschwelle von
19 mV müssen gleichzeitig gegeben sein. Zu sehen ist, dass die grüne Messung im
Vergleich zur roten sowohl eine geringere Rate, als auch Verstärkung (Verschiebung
nach links) aufweist.
Vermessen wurde der PMT ET Enterprises 9829SB bei einer Hochspannung von 2000 V
im optischen Teststand. Eine LED (G-Nor, 470 nm) lieferte Pulssignale einer Breite von
50 ns bis 200 ns. Um die Intensität auf einen Bereich zu minimieren, der für SPE geeignet
ist, wurden zwei Linearpollter in den Strahlengang gestellt. Am Oszilloskop war eine
deutliche Koinzidenz von LED-Puls und PMT-Signal zu erkennen. Dem ADC wurde
ein Trigger vorgegeben, um eine stärkere Koinzidenzbedingung von LED-Signal und
PMT-Puls zu fordern. Dieser Trigger bestand aus einer logischen UND-Verknüpfung von
einem LED-Puls und einer Diskriminatorschwelle von 19 mV. Einige wichtige Parameter
wurden nicht dokumentiert, da dieses Messungen dazu dienten den Teststand kennen zu
lernen und zu verstehen welche Parameter wichtig sind. Jedoch war das zufällige Ereignis
interessant genug um über diesen Mangel hinweg zu sehen und eine Auswertung vor
zunehmen.
Ein Vergleich der drei Fit Modelle vom einem bis zu drei Gauÿfunktionen ist in Tabelle 4.3 zu sehen. Von einem erfolgreichen Fit, in den drei Modellen, kann nicht direkt
gesprochen werden. Die Ergebnisse zeigen jedoch, dass der Ansatz mit drei Gauÿfunktionen die genausten Fitwerte darstellt. Hier waren die Fitgüten, beim herausnehmen
der deutlich fehlgeschlagen Fits, im Bereich von 80 % (Probabillity). Ein Problem stellt
der exponentielle Untergrund dar, der für einige Fits und den Fit mit nur einem Gauÿ
2
komplett herausgenommen werden musste. χ erreichte Werte von mehreren Tausend,
55
4 Charakterisierung des Teststandes
während die Anzahl der Freiheitsgerade bei ca. 300 lag. Der Fitprozess weist also noch
Verbesserungsbedarf auf. Eine Reduzierung der Fehler lässt sich durch eine längere Aufnahme und damit gröÿerer Ereignisanzahl erreichen, da der statistische Fehler mit
√
n
einhergeht. Im Signalteil liegt das Maximum bei ungefähr 100 Ereignissen mit einem
Fehler von
√
n
= 10,
so ist allein statistisch mit einer Schwankung um 10 % zu rechnen,
was ein Beurteilen der Fitgüte erschwert.
Einige Werte lassen sich aufgrund der Fitunabhägigkeit dennoch vergleichen, wie zum
Beispiel die Frequenz als auch die Ereignissanzahlen von dem Pedestal und Signalteil.
Als Unterteilung dient hier der Kanal im Minimum zwischen den beiden Peaks, für die
Anzahl wurde von 0 bis zur Grenze und von der Grenze bis Kanal 8010 integriert. Beide
Werte steigen mit der Pulsbreite an, wobei der Signalteil eine vierfache Steigung im
Vergleich aufweist. Im Fall der Sättigung, also wenn jeder LED-Puls ein Signal erzeugt,
dürfte sich der Pedestal bei einer Koinzidenzschaltung nicht mehr erhöhen, sondern
müsste konstant auf Null bleiben.
Aus der Ereignisanzahl und Aufnahmedauer wurde die Frequenz der detektierten Signale bestimmt. Die Werte sind der Tabelle 4.4 zu entnehmen. Abbildung 4.13 zeigt einen
Vergleich der Histogramme. Man erkennt, dass die Messung vor dem Lichteinfall eine
höhere Rate aufweist, als die Messung nach dem Lichteinfall. Ein Anstieg der Rate bei
breiteren LED-Pulsen kommt daher zu Stande, dass in einem Bereich gepulst wird, in
dem nur etwa jeder zehnte LED-Puls ein Signal auslöst (λ
= 0.1). Werden die Pulse ver-
breitert, steigt damit die Wahrscheinlichkeit, durch einen verlängerten Ereigniszeitraum
ein Signal am PMT zu erzeugen. Diese Erhöhung der Rate wird ergänzend zur Tabelle
4.4 in Abbildung 4.14 verdeutlicht.
Anzahl Gauÿ
1
2
3
χ2
640 ± 270
370 ± 30
480 ± 60
NDF
Probability
320 ± 2
340 ± 3
460 ± 30
2.9 ± 4.3
27.6 ± 22.1
45.3 ± 34.0
Tabelle 4.3: Fitgüten für die drei Modelle mit einen Summe von einer bis zu drei Gauÿfunktionen für den Signalteil. NDF steht für die Anzahl der Freiheitsgrade (Number of
Degrees of Freedom) und wird für die Berechnung des Probability-Wertes. Dieser Wert
bezeichnet die Wahrscheinlichkeit, dass der Fit aufgrund der Ergebnisse und nicht durch
zufällige statistische Schwankungen der Werte mit den Daten übereinstimmt. Zu erkennen sind Fehler in der Gröÿenordnung der Werte, da jeder zweite Fit misslungen ist und
eine Wahrscheinlichkeit nahe Null lieferte. Ein pauschal auf jede Messung angewandter
Fit kann als nicht erfolgreich angesehen werden. Die Ergebnisse für eine Summe aus
drei Gauÿfunktionen weisen die höchste Fitgüte auf.
Untersucht man die Ergebnisse der Position des Pedestals und der Position des ersten Gauÿ in Tabelle 4.4 genauer, erkennt man, dass die Position des Pedestal von der
56
4.4 Charakterisierung der Photonenquelle
t [ns]
fd [Hz]
3
Int(Ped.)·10
3
Int(Sig.)·10
50
134.0 ± 2.4
371.8 ± 3.9
565.9 ± 4.9
717.9 ± 5.5
63 ± 1.6
215 ± 3.0
362 ± 3.9
492 ± 4.5
5.6 ± 0.1
12.3 ± 0.1
15.3 ± 0.1
15.4 ± 0.1
3.0 ± 0.1
8.8 ± 0.1
12.7 ± 0.1
14.6 ± 0.1
14.6 ± 0.1
43.5 ± 0.2
69.6 ± 0.3
92.1 ± 0.3
6.5 ± 0.1
23.5 ± 0.2
41.7 ± 0.2
59.2 ± 0.2
100
150
200
50
100
150
200
µ
110.5 ± 0.1
110.2 ± 0.1
110.1 ± 0.1
110.0 ± 0.1
105.6 ± 0.2
105.7 ± 0.1
105.7 ± 0.1
105.6 ± 0.1
Ped.
hPed.
µ
187 ± 5
204 ± 7
210 ± 6
216 ± 15
166 ± 5
196 ± 4
197 ± 0
201 ± 2
1.Gauÿ
347 ± 8
792 ± 12
949 ± 20
928 ± 16
183 ± 5
589 ± 10
843 ± 10
899 ± 10
Tabelle 4.4: Vergleich vor und nach dem Önen während des Betriebes des PMT (ET
Enterprises) bei 2000 V im optischen Teststand mit zwei Polltern. Ein Discriminator
forderte über eine Logik-Verknüpfung (UND) eine Koinzidenz von LED-Signal und einer Pulshöhe von 19 mV. Die Frequenz fd der Detektierten Signalpulse wurde in Abhängigkeit von der LED-Plusbreite t im Messintervall (2.5 min) bestimmt. Int(Ped./Sig.)
steht für die Ereigniszahl, von Pedestal/Signal, dabei würde das Minimum der beiden
Peaks als Grenze genommen. hPed. ist die Höhe der Gauÿfunktion mit
tion des Maximums des Pedestals,
µ
1.Gauÿ
µ
Ped
der Posi-
ist die Position des Maximums des ersten
Gauÿ des Signalanteils des Histogramms. Diese Werte kommen aus einem Fit mit der
Annahme von drei Gauÿfunktionen.
Pulsbreite unabhängig ist. Dies bestätigt die Vermutung, dass der Peak durch Rauschen und nicht durch das gesuchte Licht-Signal erzeugt wird. Eine Verschiebung der
Position des Maximalwertes des Signalteils lässt vermuten, dass man in einem Bereich
auÿerhalb der SPE liegt. Würde SPE vorliegen, dürften durch längere Pulsbreiten nur
die Raten steigen, nicht aber die Energie/Kanalnummer. Daraus lässt sich folgern, dass
MPE-Ereignisse betrachtet werden.
Ein Vergleich der Ereignisse im Pedestal und Signalteil (Integrale des Histogrammes)
zeigt, dass die Einteilung in Pedestal und Signal gerechtfertigt ist. Dieses ist an der andeuteten Sättigung des Pedestal bei gröÿeren LED-Breiten und einer vier bis sechsfach
geringeren Steigung im Vergleich zu den Ereignissen im Signalteil zu erkennen.
Ein direkter Einfall von Licht hätte bei Stromversorgung die Photokathode zerstört, aufgrund des lichtabschirmenden Röhrensystems wurden Photokathode und Dynoden nur
geschädigt. Die Festkörpereigenschaften des Photokathoden-, Dynoden-Materials freie
Elektronen durch Photonen/Elektronen zu erzeugen, wurde durch eine bleibende Veränderung der Struktur reduziert. Die Ezienz und der Faktor
δ
aus Gleichung 2.2 sind
gesunken.
Die Messungen zeigen, dass ein PMT im Betrieb durch eine zu groÿe Lichtmenge geschädigt wird. Ein Beurteilen auf SPE oder MPE konnte nicht eindeutig geklärt werden,
57
4 Charakterisierung des Teststandes
Abbildung 4.14: Vergleich der Raten vor und nach dem Önen. Zu erkennen ist ein
Abfall der Rate. Des Weiteren lässt der Anstieg der Rate eine Proportionalität zur
Pulsbreite der LED vermuten.
die meisten Fakten sprechen jedoch für ein MPE-Ereignis. Hier ist ein besserer Fitalgorithmus, gröÿere Datenmengen/erhöhte Messdauer und Kenntnis über die erwartete
Maximal Frequenz nötig.
Für eine genauere Beschreibung der Fitfunktion sollte nicht die Summe von Gauÿ
und exponentiellen Abklingen, sondern deren Faltung betrachtet werden. Dieses ermöglicht einen genauere Anpassung an die Daten. Weiterführend sollte die im Abschnitt
2.2.2 einführte Faltung von possionverteilter Gausfunktionen mit einem exponentiellen
Untergrund durchgeführt werden. Dies setzt aber den linearen Zusammengang der n
Photoelektronen voraus. Eine Untersuchung auf Unregelmäÿigkeiten ist so nicht möglich.
58
Ereignisse
4.5 Aktuelle Entwicklungen im Labor
Pedestal Gaus
Dreifacher Gaus
Exponentieller Hintergrund
Totale Summe
Theoretischer Plot
1000
800
600
400
200
0
100
150
200
250
300
350
400
450
500
Kanal
Abbildung 4.15: Beispielhafter Fit für ein Histogramm. Zu sehen sind ein Gauÿ auf dem
Pedestal(grün), ein exponentielles Abklingen für den folgenden Untergrund (gelb)
und eine Summe von drei Gauÿfunktionen für den Signalteil (rot), die Fitergebnisse
wurden am Ende für eine Summe all dieser Funktion weitergegeben und in einer
Gesamtfunktion (blau) gettet.
4.5 Aktuelle Entwicklungen im Labor
Im Folgenden wird auf den aktuellen Stand der Teststände eingegangen. Nach einem Laborumbau sind Rauschquellen in der Elektronik aufzuweisen. Erste Tests der Lichtdichtigkeit des magnetischen Teststandes wurden durchgeführt.
Ein neuer 2" PMT (R1828-01 von Hamamatsu), der besonders für SPE geeignet ist, soll
im optischen Teststand in Betrieb genommen werden. Dazu wurden am Oszilloskop die
durch den Dunkelstrom verursachten Signale untersucht. Pulse in der Gröÿenordnung
von einem Volt bei einer Hochspannung von 2250 V lagen vor. Wurde der PMT zusätzlich
mit LED-Pulsen beleuchtet, waren beim Triggern auf das LED-Triggersignal Pulse im
Bereich von einigen zehn mV zu erkennen. Diese mit einer zu erwartenden Rate von
ungefähr 900 Hz. Verwunderlich ist der um zwei Gröÿenordnungen erhöhte Dunkelstrom.
Durch das Abdichten des Lichtstrahlenganges wurde sichergestellt, dass die Kabel der
LED nicht für diese Signale verantwortlich sind, sondern dass eine Übertragung durch
Lichtsignale auf PMT vorliegt. Die Hochspannung als Quelle konnte durch Austauschen
des HV-Moduls ausgeschlossen werden.
Die Dunkelstromsignale sollten reduziert werden, indem verhindert wurde, dass der PMT
externen Lichtquellen ausgesetzt ist. Dafür wurde er in mehrere Lagen PVC-Folie eingewickelt, mit Sto bedeckt und im optischen Teststand zwei Wochen mit Hochspannung
59
Ereignisse
4 Charakterisierung des Teststandes
Vergleich: Alter und Neuer Teststand
105
doublechooz/darkcurrentday1.root
hamamatsu/darkcurrent_day1.root
104
103
102
10
1
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
Kanal
Abbildung 4.16: Der neue 2" Hamamatsu R1828-01 PMT im alten Teststand mit Garantie auf Lichtdichtigkeit erreichte eine Signalrate von 285 Hz. Ein 8" Veto PMT
des Double Chooz Experiment im neuen Teststand hingegen lieferte eine Rate von
440 HZ. Dieser war aber vor weniger als 6 h dem Tageslicht ausgesetzt. Trotz der
Unterschiedlichen Bedingungen weisen beide Dunkelstrom-Messungen das gleiche
Spektrum auf. Das Rauschen erstreckt sich gleichmäÿig weiter bis zum Kanal 2000
und fällt dort schnell ab. Ein Erdungsproblem im Aufbau wird vermutet.
versorgt betrieben. Am Oszilloskop war keine Veränderung des Dunkelstromes zu beobachten. In diesen zwei Wochen wurde ein nicht mehr genutzter groÿer eiserner Aufbau
im Labor entfernt. Dieser war mit derselben Hochspannungsversorgung verbunden und
verfügte über eine groÿzügige Erdung. Auch wurde die Abdeckung des magnetischen
Teststandes in dieser Zeit fertiggestellt, sodass hier erste Messungen beginnen konnten.
Für die Inbetriebnahme des neuen Teststandes wurde ein 8" PMT des Double Chooz
Vetos verwendet. Dieser sollte ausreichende Dimensionen für erste Tests mit dem Magnetfeld aufweisen. Damit ist seine Länge, um ihn senkrecht zum B-Feld des Teststandes
auszurichten, aber auch die Distanz von Photokathode zur ersten Dynode (vergleiche Abschnitt 2.3) gemeint. Ein Vergleich am Oszilloskop zeigt, dass sich die Dunkelströme des
Double Chooz Veto-PMTs in beiden Testständen ähneln, der neue Teststand also Lichtdichtigkeit aufweist. Diese geht, ohne PVC-Folie um die Enden des Teststandes gewickelt,
verloren und ist deutlich am Oszilloskop zu erkennen.
60
4.5 Aktuelle Entwicklungen im Labor
Eine Dunkelstrommessung des seit zwei Wochen mit PVC-Folie umwickelten 2" PMTs
wurde im optischen Teststand aufgenommen. Der 8" PMT wurde eine Stunde nach dem
Einbau im magnetischen Teststand mit derselben Elektronik auch auf seinen Dunkelstrom untersucht. Ein Vergleich dieser beiden eigentlich unterschiedlichen Messungen ist
in Abbildung 4.16 zu sehen. Auallend ist ein zweiter schmaler Peak im Spektrum, der
dem Pedestal ähnelt, aber vor allem die Tatsache, dass beide Spektren bis auf kleine Fluktuation deckungsgleich sind. Wobei zu bemerken ist, dass die Rate des Hamamatsu PMTs
bei 285 Hz und die des Double Chooz PMTs bei 440 Hz lag.
Durch das Herausziehen und Einstecken des USB-Kabels des ADC konnte der zweite
Peak im Spektrum für eine Messung entfernt werden. Zusammen mit der oben genannten
Beobachtung liegt die Vermutung nahe, dass der Teststand über ein Erdungsproblem verfügt. Deshalb ist eine komplette Erdung aller Komponenten in Planung.
Der erste der vier Container ist in Hamburg eingetroen und wurde mit der neuen
Magnetsonde auf eine Magnetisierung untersucht. Eine Magnetisierung des Eisens konnte
nicht festgestellt werden.
Die Entwicklung und Inbetriebnahme des magnetischen Teststandes bis zum aktuellen
Stand ist gelungen. Die Elektronikeinheit verfügt jedoch über einige Schwachpunkte, wie
das Erdungsproblem oder den nicht in Betrieb genommenen Flash-ADC.
61
5 Ausblick und Zusammenfassung
5.1 Ausblick
Festhalten lässt sich, dass für die endgültige Inbetriebnahme des neuen Teststandes, neben weiteren Messungen der Magnetfelder, auch technische Arbeiten nötig sind.
Neigung des Teststandes
◦
Für eine feldfreie Messung muss der Teststand um 60 zur Horizontalen geneigt und
entlang des Erdmagnetfelds ausgerichtet werden. Um dies zu realisieren, muss noch eine
Halterung der Elektronik und des PMTs entwickelt und getestet werden. Auch der Teststand selbst muss eine Halterung bekommen, die ein Verrutschen nach dem Ausrichten
am Magnetfeld verhindert.
Rauschreduzierung
Im aktuellen Aufbau sind die Messungen stark von einem Rauschen gestört. Vermutet
wird hier ein Erdungsproblem. Dieses Rauschen muss für endgültige Messungen beseitigt
werden. Dazu ist geplant jedes Kabel mit einem Kupfermantel zu erden.
Flash ADC
Um die Daten genauer auswerten zu können, ist ein Flash ADC in Planung. Dieser
konvertiert nicht nur die Höhe des Signals in digitaler Form, sondern kann auch den
exakten Verlauf des Pulses digital umwandeln und speichern. Das hilft bei der Suche
nach SPE, da diese charakteristische Formen aufweisen. Hierfür ist eine Installation des
Flash ADC nötig.
63
5 Ausblick und Zusammenfassung
Lab View
Um die Datenauslese zu erleichtern und eine Steuerung aller Elektronik von einem zentralen Rechner zu betätigen, ist ein Windows 7 Rechner mit Lab View in Planung. Ein
eigenständiges Durchlaufen mehrerer Parameter, wie zum Beispiel der Hochspannung
oder der LED-Pulsbreite, wird durch ihn möglich. Auch bietet der MH-X25 ein Schnittstelle für Lab View.
Magnetfeldsonde
Mit der Anschaung einer Magnetfeldsonde, die empndlich genug ist, um das Erdmagnetfeld zu bestimmen, kann die Spule kalibriert werden. Nach einer Ausrichtung und
Kalibrierung sollte ein Raum mit einem bis zu zehnfach geringeren Wert als dem des
Erdmagnetfeldes entstanden sein. So können die PMTs ausreichend vermessen werden.
Des Weiteren ist eine Bestimmung der Abschirmwirkungen durch das
µ-Metall
mög-
lich. Am Ende wird die Sonde helfen den Container auf Störfelder oder Löcher in der
Abschirmung zu untersuchen.
Diese Sonde darf keiner Flussdichte gröÿer als 200 µT ausgesetzt werden, weshalb bei Benutzung der Spule darauf zu achten ist, dass dieser Wert nicht überschritten wird. Auch
sollten Permanentmagneten, wie im MH-X25, nur vorsichtig untersucht werden, da diese
im geringen Abstand gröÿere Flussdichten aufweisen können.
Moving Head
Der Moving Head wird die Fläche des 20" PMTs rasterweise ableuchten können. Durch
verschiedene Intensitäten und schmalere, mithilfe von Filtern reduzierte Frequenzbereiche wird eine Möglichkeit geboten viele entscheidende Messungen zur Bestimmung der
gesuchten PMT-Parameter durchzuführen, ohne den Versuchsstand zu önen und den
PMT dem Umgebungslicht auszusetzen.
LED Durchbruchsspannung
Neben der spektralen Untersuchung der LEDs für den Teststand, sollte zusätzlich die
Durchbruchsspannung bestimmt werden. Dazu wird die Stromstärke der LED gegen
die Spannung aufgetragen. So ist eine Bestimmung der Spannung möglich, mit der die
LED versorgt werden kann ohne Licht zu erzeugen. Dieses Annähern hilft dabei kurze
Ansprechzeiten zu realisieren.
64
5.2 Zusammenfassung
5.2 Zusammenfassung
Es gelang im Rahmen dieser Bachelorarbeit ein ungenutztes Labor des Institutes für
Experimentalphysik durch die Inbetriebnahme und den Aufbau eines Teststandes mit
neuem Leben zu füllen. Eine Charakterisierung des Teststandes zeigt den Erfolg der
Entwicklung und des Aufbaus.
Ein Inbetriebnehmen des vorhandenen Teststandes konnte schnell und erfolgreich stattnden, sodass einen Fokus auf die verwendete Elektronik gelegt wurde. Dabei wurde
der ungenutzte Frequenzgenerator zielführend in Betrieb genommen. Eine Auswahl der
drei am besten geeigneten Verstärker für die Elektronik konnte getroen werden. Dabei wurde auf eine schnelle Signalverarbeitung, eine Formerhaltung des Pulses und die
Möglichkeit der Signalinvertierung geachtet.
Die Entwicklung des neuen Teststandes bietet noch Optionen zur Erweiterung, ist aber
bis zum jetzigen Zeitpunkt erfolgreich abgeschlossen. Dieser Teststand ist groÿ genug, um
die neuen 20" PMTs zu fassen und zu vermessen. Dies ist sogar innerhalb des Halterungssystems für die Container im Teststand möglich. Zusätzlich verfügt der Teststand über
eine aktive Magnetfeldabschirmung. Gezeigt wurde, dass diese den erwarteten Werten
entsprechen und ein ausreichend groÿes Feld erzeugt wird, um das der Erde zu kompensieren. Dieses Feld kann in der Spulenmitte den dreifachen Wert (ca. 160 µ) des Erdmagnetfelds erreichen. Somit sind Messungen mit bis zum Vierfachen des Erdmagnetfelds
möglich.
Die Notwendigkeit der Abschirmung wurde durch die Betrachtung der Bewegungsgleichung eines freien Elektrons bei einer Beschleunigung durch ein starkes elektrisches Feld
und einer Ablenkung durch ein schwaches magnetisches Feld aufgezeigt. Hier wurden Abweichungen von ungefähr 5 cm für einen PMT der gewünschten Gröÿenordnung ermittelt.
Eine Faustformel ermöglicht ein Überschlagen dieses Wertes. Dafür muss man den PMTRadius, die elektrische Spannung und das Magnetfeld kennen.
Mit einer Vermessung der Magnetfelder des im späteren Aufbau geplanten MH-X25
wurde gezeigt, dass diese Felder in der Testgeometrie auf einen Wert abfallen, der zu
gering für eine signikante Ablenkung der Elektronen ist.
Anhand der ausgewerteten Daten konnte eine Methode vorgestellt werden, welche erlaubt, SPE- und MPE-Ereignisse voneinander zu unterscheiden. Dies gelang aufgrund
fehlender Parameter in der Dokumentation nicht mit befriedigender Genauigkeit.
Zukünftig sind für den Bau der Containerteststände Referenzmessungen im neu entwickelten Teststand möglich. Dieser biete die benötigte Lichtdichtigkeit und Abschirmung
vom Erdmagnetfeld. Auch sind Charakterisierung der PMTs weiterführend möglich, die
im Teststandsystem nicht verwirklicht werden. Wie zum Beispiel die Abhängigkeit vom
Erdmagnetfeld.
65
Abbildungsverzeichnis
1.1
Massenordnung der Neutrinos [5]
1.2
Theoretische Oszillationskurve von L/E für NH und IH [6]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3
Lageplan JUNO und die beiden Kernkraftwerke [3]
5
. . . . . . . .
6
. . . . . . . . . . . .
7
1.4
Schematischer Aufbau des JUNO-Detektors [3] . . . . . . . . . . . . . . .
8
2.1
Vergleich Side-On-, Head-On-PMT [8]
2.2
Quantenezienz in Abhängigkeit der Wellenlänge [8]
2.3
Dunkelstrom in Abhängigkeit der Versorgungsspannung [10]
2.4
Pulshöhenverteilung im Einzel-Photonenbereich [7]
2.5
Bewegung des Elektrons im PMT unter Einuss des E- und B-Feldes
. .
19
2.6
PMT Layout R12860 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
2.7
Einuss des Magnetfeldes auf die Quanteneziens eines PMTs [3]
. . . .
21
2.8
Berechneter Verlauf des Feldes in der Spule . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
3.1
Beide Teststände im Labor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
3.2
Blick in das Innere des neuen Teststandes
. . . . . . . . . . . . . . . . .
28
3.3
Schaltplan der Spulenwicklungen
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
3.4
Fotograe der verbauten Elektronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
3.5
Schaltplan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
3.6
Typischer PMT Dunkelstrompuls
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32
4.1
LED-Spektrum direkt im Aufnahme Programm, LED GNL-3014BC-1 . .
36
4.2
LED-Spektrum aqua style actinic violet (420 nm)
37
4.3
Verstärkervergleich: Grauer UNI Hamburg Amplier . . . . . . . . . . . .
39
4.4
Dunkelstromhistogramm des Grauen Uni Ampliers . . . . . . . . . . . .
40
4.5
Verstärkervergleich der drei wichtigsten Verstärker . . . . . . . . . . . . .
41
4.6
Messbereichverleich der MPT-141 Hallsonde der Firma group3 . . . . . .
44
4.7
Kalibrationsgrade der Spule gemessen mit beiden Hallsonden . . . . . . .
46
4.8
Positionsabhängigkeit des Magnetfeldes in der Spule . . . . . . . . . . . .
47
4.9
Vermessung des Feldes entlang des MH-X25 Gehäuses . . . . . . . . . . .
48
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .
4.10 Flussdichte senkrecht zur Drechachse des MH-X25 Roboterkopfes
12
13
14
16
. . . .
49
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
50
4.12 Vermessungspunkte des MH-X25 [22] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
51
4.13 Vergleichs Histogramme einer Messung für vor und nach dem Önen
55
4.11 Dimensionen des Teststandes
. .
67
Abbildungsverzeichnis
4.14 Vergleich der Raten vor und nach dem Önen
4.15 Beispiel für das Fiten eines Histogrammes
68
. . . . . . . . . . . . . . .
58
. . . . . . . . . . . . . . . . .
59
4.16 Vergleich von Messungen am alten und neuen Teststande . . . . . . . . .
60
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under low magnetic elds: Design and performances of the magnetic shielding for
the Double Chooz neutrino experiment. Nucl. Instrum. Meth., A621:222230, 2010.
https://images5.static-thomann.de/pics/
atg/atgdata/document/manual/c_238185_v2_r2_en_online.pdf, 2016.
[22] Thoman Music. MH-X25 Manual.
70
Danksagung
Als Erstes möchte ich Frau Prof. Dr. Caren Hagner danken, die mir diese Bachelorarbeit
in ihrer Arbeitsgruppe ermöglichte.
Dank gebührt auÿerdem meinem Betreuer Dr. Björn Wonsak, für das Begleiten während der gesamten Arbeit. Von nützlichen Tipps, schwierigen und einfachen Aufgaben
über freundliches Vorantreiben bis hin zu spannenden Tischkickerspielen war alles dabei.
Lisa Steppat teilte sich mit mir die Arbeit des Aufbaues des Teststandes und war bei vielen Aufbauten mit dabei. Somit gehört auch ihr mein Dank.
Allgemein ist meinem Party-Büro: jetzt mit Spieÿern für kleine Tipps, besonders
in ROOT, zu danken. Sie sorgten aber auch für genügend Unterhaltung am Arbeitsplatz.
Dr. Daniel Bick half mir in meinen ersten Tagen im Labor viel weiter und sorgte immer
wieder für gute Laune.
Hans-Jürgen Ohmacht, kurz Hajo, war immer mit dabei, wenn es darum ging Dinge zu
bauen, er erledigte mit mir den gröÿten Teil der mechanischen Arbeit zum Aufbau des
Teststandes.
Dr. Joachim Ebert war immer für hilfreiche Ratschläge zu haben.
Der Arbeitsgruppe ist im ganzen für ihre Freundlichkeit und den vielen Kuchen in den
Teepausen zu danken.
Meinen Kommilitonen der 'Küchensprache', meiner Familie und meinem Team der Standard Formation des Club Saltatio ist für die kritische Beurteilung der Arbeit zu danken.
Die tatkräftige Beteiligung bei der Jagd nach Rechtschreibfehlern darf nicht unerwähnt
bleiben. Insbesondere halfen mir Saiva, Julia, Torben, Hannes, Tane Heike, Susanne,
Katharina, Jones, Alva, Lena und Sarod.
Jonas Koch ist weiter zu danken für die gegenseitige Motivation zum zügigen Durcharbeiten dieser Bachelorarbeit.
Tack!
71
Erklärung
Hiermit bestätige ich, dass die vorliegende Arbeit von mir selbständig verfasst wurde und
ich keine anderen als die angegebenen Hilfsmittel insbesondere keine im Quellenverzeichnis nicht benannten Internet-Quellen benutzt habe und die Arbeit von mir vorher
nicht einem anderen Prüfungsverfahren eingereicht wurde. Die eingereichte schriftliche
Fassung entspricht der auf dem elektronischen Speichermedium. Ich bin damit einverstanden, dass die Bachelorarbeit veröentlicht wird.
Datum, Ort, Unterschrift
72
Elektronikanhang
Gerät
Spezischer Name
Bemerkung
LED
G-Nor GNL-3014BC-1
470 nm
auqa style actinc violet
420 nm
Hamamatsu R12860-HQE
EA0128
PMT
ET Enterprises 9829SB
Hamamatsu R1828-01
ZS7225
Double Chooz
Valvo 56AVP
Pulsgenerator
Agilent 81130A 400/660Mhz
Magnetsonde
3B Sintic U33110
group3 MOT-141
Verstärker
LeCroy SIX Channel Variable Amplier 612AM
CAEN 4CH Variable Gain Fast Amplier N978
Main Amplier Universität Hamburg 721214
Erster Aufbau
LeCroy 12 Channel PM Amplier 612A
Ortec Timing Filter AMP 474
Zweiter Aufbau
Ortec Amplier 572
ADC
CAEN N957 Peak Sensing ADC
Spektrometer
PhotonContol SPM-002 e
Oszilloskop
Tektronix MSO 4104
HV modul
CAEN Mod. SV127
Spliter, Fan in / Fan out
LeCroy Model 428F
Multimeter
VoltCraft VC 820
Spannungsquelle
EA-PS3065-05 B
Counter und Timer
CAEN N1145
Logikeinheit
CAEN N455
Discriminator
CAEN N844
NIM TTL Konvertierung
CAEN N89
Dual Gate Generator
LeCroy 222
73
max. 65 V
2.1 Bedienelemente
4. Bedienung
4.1 Nullpunkteinstellung
Es empfiehlt sich, den Nullpunktabgleich im
Messbereich 20 mT vorzunehmen. Beim anschließenden Umschalten in den größeren
Messbereich ist dann kein neuer Abgleich erforderlich.
Wenn Magnetfelder von Permanentmagneten
gemessen werden sollen, ist der Nullpunktabgleich in ausreichendem Abstand vom Magneten
durchzuführen.
Wenn die Felder stromdurchflossener Leiter gemessen werden sollen, ist es empfehlenswert die
Sonde bei abgeschaltetem Magnetfeldstrom am
vorgesehenen Messort zu positionieren.
 Magnetfeldsonde an der Anschlussbuchse 1
anschließen.
 Messmodus 20 mT wählen.
 Nullpunktsteller so lange drehen, bis die Null
oder ein möglichst kleiner Wert im Anzeigefeld
erscheint.
1
2
3
4
5
Anschlussbuchse für Magnetfeldsonde
Digitalanzeige
Messbereichswahlschalter 20 mT
Messbereichswahlschalter 200 mT
Messmoduswahlschalter axial (BX) und tangential
(BZ)
6 Nullpunktsteller BX mit LED Betriebsanzeige
7 Nullpunktsteller BZ mit LED Betriebsanzeige
8 Ausgangsbuchse für Messmodus BX
9 Massebuchse
10 Ausgangsbuchse für Messmodus BZ
11 Ein-/Ausschalter
4.2 Messung axialer Magnetfelder
Mit der axialen Hallsonde wird die Komponente
der magnetischen Induktion in Richtung der Sondenachse gemessen.
Zusätzlich kann die Feldrichtung erkannt werden:
Zeigt das Feld in die Richtung des Sondenträgers
(z.B. vor dem Nordpol eines Stabmagneten), so ist
der angezeigte Wert positiv, bei umgekehrter Orientierung negativ.
Magnetfeldsonde: 1 tangentiale Hallsonde (zRichtung), 2 axiale Hallsonde (x-Richtung), 3 Träger
3. Technische Daten
Messbereich 20 mT
Auflösung:
Genauigkeit:
Messbereich 200 mT
Auflösung:
Genauigkeit:
Anzeige:
4.3 Messung tangentialer Magnetfelder
Mit der tangentialen Hallsonde wird die Komponente der magnetischen Induktion, die senkrecht
zur Trägerplatte orientiert ist, gemessen.
Zusätzlich kann die Feldrichtung erkannt werden:
Eine positive Anzeige bedeutet, dass das Feld
aus der Richtung der Trägeroberfläche mit Skala
kommend in die Sonde eintritt, während ein negativer Wert auf die umgekehrte Feldrichtung
hinweist.
0,01 mT
2 % ±3 digits
0,1 mT
2 % ±1 digits
3½-stelliges LCD mit Vorzeichen für die Feldrichtung
Ziffernhöhe:
13 mm
Eingang:
BNC-Buchse
Ausgang:
4-mm-Sicherheitsbuchsen
Ausgangsspannung: 10 mV / mT (20 mT)
1 mV / mT (200 mT)
Abmessungen Gerät: 205 x 230 x 85 mm³
Abmessungen Sonde: 360 x 15 x 25 mm³
4.4 Benutzung des Analogausgangs
Über die Ausgangsbuchsen (8, 9, 10) kann eine
zum Magnetfeld proportionale Spannung externen Messgeräten (Datenlogger, XY-Schreiber,
2
MPT-141
MINIATURE STANDARD SENSITIVITY HALL PROBE
•
•
•
•
•
Very small sensitive area, small physical size.
Super high precision: ± 0.01% max. error at 25°C*.
Extremely low thermal drift: ±5ppm/°C max*.
Negligible zero drift: ±0.01 gauss/°C max*.
Calibration tables at 0, 25 and 50°C supplied with each probe.
* contribution of probe only.
Specifications of system – MPT-141 with DTM-151 teslameter:
Orientation
Field ranges
Accuracy at 25°C
Transverse, reads positive when field vector enters top epoxy surface
0.3 0.6 1.2 3.0 tesla full-scale,
3 6 12 30 kilogauss full scale
with polarity indication, calibrated to ±2.2 tesla, ±22,000 gauss
±(0.01% of reading +0.006% of full scale) max.
Resolution - DC mode with digital filtering ON:
1 in 600,000 of bipolar span in front panel display.
range
display resolution
serial/GPIB resolution
gauss
tesla
gauss
tesla
0.3 tesla
0.01
0.000001
0.001
0.0000001
0.6 tesla
0.02
0.000002
0.01
0.000001
1.2 tesla
0.04
0.000004
0.01
0.000001
3.0 tesla
0.1
0.00001
0.01
0.000001
Resolution - DC mode with digital filtering OFF, and AC mode:
1 in 120,000 of bipolar span in front panel display.
range
display resolution
serial/GPIB resolution
gauss
tesla
gauss
tesla
0.3 tesla
0.05
0.000005
0.001
0.0000001
0.6 tesla
0.1
0.00001
0.01
0.000001
1.2 tesla
0.2
0.00002
0.01
0.000001
3.0 tesla
0.5
0.00005
0.01
0.000001
Temperature range
Temperature
stability
0 to 50°C operating to spec, -20 to +60°C max.
calibration:
±10ppm of reading/°C max.
-3ppm/°C of reading per meter of probe cable
zero drift:
±(1µT + 0.0003% of full-scale)/°C max.
Probe dimensions
overall size: 14 x 5 x 2 mm
sensitive area: 1 x 0.5mm
unshielded part of cable at probe head: 4.5mm diam. 300mm nom. length
shielded cable: 6.5mm diam.
Order code
MPT-141-2s for probe with basic 2 meter shielded cable.
Special probe cable lengths may be ordered up to 30 meters max.
Single-range probes: add range suffix –03 –06 –12 –30, e.g. MPT-141-03-2s.
reference surface
3.2 dia. nom.
1.0 max.
14.0 ±0.2
sensitive area
1.0 x 0.5
main cable
4.5 dia. nom.
20 nom.
cable junction
50 ±2
flexible wires
exposed ceramic area
0.3 wide min.
sensitive area is on centerline of epoxy ±0.2
all dimensions in mm.
angular error in transverse plane
= ±1° max.
ceramic
4.0 ±0.1
epoxy
5.0 dia. nom.
5.0 max.
1.5 ±0.2
2.0 nom.
0.9 ±0.1
0.62 ±0.02
seating error on ceramic ±0.4° max.
Group3 reserves the right to change specifications at any time without notice,
______________________________________________________________________________________________________________________________
Group3 Technology Ltd. www.group3technology.com [email protected]
file: MPT-141spec.doc May 2005 84000181
N957 / ADCs (Peak Sensing) | CAEN
http://www.caen.it/jsp/Template2/CaenProd.jsp?parent=12&idmod=707#
N957
8k Multi-Channel Analyzer
1 input Multichannel Analyzer
Fully computer controlled MCA
8K ADC, fast conversion time with linearization
enhancement circuit
PHA acquisition mode
Suitable for HPGe, Nai(Tl), CdTe and other detector
technologies
USB 2.0 communication interface
Libraries, Demos (C and LabView) and Software tools for
Windows and Linux
The Mod. N957 is a 8k Multi-Channel (MCA) with USB port, housed in a 1-unit wide standard NIM module. The multichannel analyzer performs the
essential function of collecting the data and producing output, in the form of converted value of input peaks. The input pulses can be those
produced by a standard spectroscopy amplifier. They can be Gaussian, semi-Gaussian or square waves, unipolar (positive) or bipolar, in a range
from 0 to 10 V, with a rise time greater than 0.1 µs. The trigger can be made "on signal" (Auto Gate mode) or "external" (External Gate mode). In
the first case a discriminator, with a settable threshold, enables the conversion. In the second case, an external gate is fed to the module, via front
panel GATE In connector.The input channel has one peak amplitude stretcher, the output of which is digitised by a 13 bit fast (0.8 ms) ADC
featuring a sliding scale technique, to improve the differential non-linearity.Converted waveforms are stored into a 64 KSamples buffer memory.
The unit hosts an USB2.0 port (also compatible with USB 1.1), which permits a simple control and data-acquisition via PC.
Libraries for Windows and Linux will be provided as well. Future firmware upgrade is possible via USB.
Packaging
One unit NIM mechanics
No. of ADC channels
1
Resolution
13 bit (8192 channels - 8064 valid if sliding scale enabled)
ADC Conversion time
0.8 µs
Dead Time
4.8 µs
LSB
1.22 mV
Gate
Signal must occur prior to and must extend for at least 0.2-μs after the peak (in External Gate mode)
Differential Non-Linearity
< 1%
from 5% to 95% of input FSR (500 mV ÷ 9.5 V)
Integral Non-Linearity
< 0.065%
from 5% to 95% of input FSR (500 mV ÷ 9.5 V)
Gain Instability
<+150 ppm/°C
USB port
Compatible with USB 1.1 and USB 2.0;
3m maximum cable length (longer distance can be achieved with commercial off-the-shelf products)
Maximum transfer rate
30 Mbyte/s (USB 2.0 Bulk Transaction Protocol);
75 Kbytes/s (USB1.1)
I/O signals
NIM/TTL; selected via internal switch
Discriminator Threshold
Software programmable, 0 mV ÷ 500 mV range, 100 steps
Code
Description
No data
1 von 2
09.03.2016 21:49