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第５７回年日本物理学会年次大会
２００２年 ３月２７日
立命館大学 びわこ・くさつキャンパス
1. HERMES Experiment
2. Gain Monitoring System (GMS)
Hardware Components
3. Gain Evaluation
4. Summary
Contents
東京工業大学
基礎物理学専攻
柴田研究室
他 HERMES Collaborations
田中 秀和, 大須賀 弘, 宮地義之, 柴田利明,
HERMES実験のための
レーザーに基づく
ゲインモニタリングシステム
The HERMES Experiment
DESY, Hamburg, Germany
HERMES Detectors
HERMES
HERA Storage Ring
The aim : Investigation of the nucleon spin structure
with deep inelastic scattering (DIS) using
- Polarized electron (positron) beam (27.5 GeV)
- Polarized internal gas target (H, D, 3He)
The Gain Monitoring System
PMTs of the detectors monitored by GMS
・ Calorimeter …………………… 840
・ Hodoscopes …………………… 88
・ Luminosity Monitor ……… 24
The gain and its linearity
for those PMTs can be monitored
during data taking.
Overview of GMS Components
1. Generate light
pulses of 6 type
intensities
N2 Laser
Light filtering
system
Reference
detectors
2. Distribute
the light pulses
Detectors monitored by GMS
Light Filtering System
Light filtering system consists of
motor, filter wheel and 5 attenuation filters.
Motorized Filter Wheel
motor
The Laser trigger is synchronized with
HERA beam bunches and filter wheel.
Detector Gain and Linearity
ADC histogram
of a detector.
ADC histogram of
reference detector
Detector gain ≡slope
Detector
To evaluate
the detector gain,
GMS defines the
relative gain
using
reference detector.
ADC value
pedestal
Reference detector
ADC value
Online Monitoring
The Pink Window
G (t ) : Evaluated Gain
G (ti )
G (t  t 0 )
 Normalized Gain
The evaluated and normalized
gain of the detectors is
visualized
on
the GMS Pink Window.
(updated per minute)
Summary
・ HERMES experiment investigates the nucleon spin
structure with DIS.
・ HERMES GMS monitors the gain and its linearity for
956 PMTs.
・ The gain evaluated by GMS is used for
- data quality parameter (for physics data)
- calorimeter correction factor
Contents
1. HERMES Experiment
2. Gain Monitoring System (GMS)
Hardware Components
3. Gain Evaluation
4. Summary
Gain Linearity
PMT is
saturated.
Non-linear response
Reference Detector
Detector ADC value
pedestal
Reference detector ADC value
ADC histogram of
reference detector,
accumulated in a run.
Typical correlation betw
detector and reference de
for event by event.
Reference Detector
pedestal
Detector ADC value
Histogram of
reference detector
ADC value,
accumulated in a run.
Reference detector ADC value
Typical scatter plot of
detector ADC value
vs
reference detector
for event by event.
Detector Response
ADC histogram of
the detector.
The 6 peaks generated
by the light filtering system
TRD
Calorimeter
Preshower counter
Electron-hadron separation :
Preshower counter, Calorimeter, TRD
Efficiency in the electron identification : > 97 %
Contamination of hadrons to electrons : < 1 %
Generation of Light Pulses
The Laser trigger is synchronized with HERA beam bunch and filter wheel.
Therefore GMS does not interfere the physics data taking.
The Laser fires at about 3 Hz.
(1)
(2)
(3)
Nitrogen Laser Dye Light filtering system
Wave length 337.1 nm
500 nm
Energy/Pulse 250 μJ
≦ 100 μJ
Pulse width : 5 sn
The HERMES
DESY, Hamburg, Germany
HERMES
HERA Storage Ring
Attenuation Filter
Table : Filter attenuation
Filter Number
0
1
2
3
4
5
6
7
Attenuation (%)
50.1
20
No Attenuation
No Attenuation
39.8
No Attenuation
31.62
10
The Gain Monitoring System
1. GMS sends the light of 6 different
intensities to the PMT of the detectors.
during data taking.
2. The lights are also sent to reference
detectors.
3. Compare the responses of the PMTs to the
light with reference detector.
The light of 6 different intensities are
used to check the gain linearity.
Reference Detector
Reference detector is a silicon PIN photo-diode.
The reference detector is named “PIN”.
Relative Gain Definition
Gain
det



N GMS
i
N GMS
i
( ADC
det
i
) corr
( ADC
PIN
i
) corr
The relative gain is evaluated every “run” for
offline monitoring.
( ADC
det
i
( ADC
PIN
i
) corr
) corr
: pedestal subtracted
detector ADC value
: pedestal subtracted
PIN ADC value
This Gain det corresponds to the slope of the detector
ADC vs PIN ADC.
Detector Gain Evaluation
(run, fill level)
The year 2000 data
(run2300-30530)
Luminosity
monitor
Calorimeter
Detector Gain Evaluation
(run, fill level)
fill
Preshower counter
The detector gain fluctuates less than 4%,
in a fill.
(fill : beam injection to beam dump, ～8 hours)
Detector Gain Evaluation
(7 months)
Gain change
for about 7 months
(all year 2000 data).
A part of detectors gain
decreases about 2%
Summary and Outlook
- The gain of some detectors
decrease about 2% for 7 months.
・ To evaluate the non-linear response of the
detector, it is necessary that a few optical
filters are added to light filtering system.
Laser Monitoring
Small PMT
The Laser intensity fluctuates
about 5%.
HERMES Physics Motivation
DIS
e
(Deep
Inelastic
Scattering)
e
Target fragments
Current fragments
< sz > = 1/2 = 1/2 (Δu+Δd+Δs ) +ΔG+Lq+LG
ΔΣ
Quark spin contribution to the nucleon spin (ΔΣ ) is found
to be small in polarized DIS experiments.
ΔΣ ～ 0.2 ~ 0.3
Relative Gain Definition
Gain
det  X



N GMS
i
N GMS
i
)  N GMS  Ped
det  X
( ADC
det  PIN
i
)  N GMS  Ped
det  PIN
ADC
det  X
i
: Detector ADC value
ADC
det  PIN
i
: PIN ADC value
det  X , PIN
: Averaged Pedestal ADC value
Ped
N GMS
This Gain
det  X
i
( ADC
det  X
: Number of GMS events
corresponds to the slope of the detector
ADC vs PIN ADC.
Gain Definition 2
Ped
Ped
det  X , PIN
det  X , PIN
ADC
det  X
i
ADC
det  PIN
i
N
ped


N
j
p ed
1
N ped
ADC
det  X , PIN
j
: Averaged pedestal value
: detector X, and PIN pedestal value
: Number of pedestal events
Calorimeter Specification
Attenuation of lead glass
Quantum efficiency of PMT
Table 1 : Laser specification
Product Name
Spectral Output (nm)
Pulse Width (ns)
Energy/Pulse (μJ )
LN300C
337.1
5
250
Table 2 : Dye specification
Product Name
Wave Length (nm)
Output Energy (μJ )
Coumarin 500 (7A500)
Peak
500
Range
473 ～ 547
≦ 100
Light Distribution System
Main splitter
Sub-splitter
Table : PIN Photo-diode specification
Type
S119
Operating
Tenparature
(℃)
-40～+100
Photo Sensitive Surface
Size
Effective Area Range
Peak Wave
(mm)
(mm2)
(nm)
Length(nm)
1.1×1.1
1.2
320-1100
960
GMS Fiber Network
E.T
(Electronics Trailer)
Light source
D.A
(Detector Area)
Calo TOP
Calo BOTTOM
Main splitter
Sub-splitter
Detector Saturation
Laser Trigger
Total number of bunches : 220
bunch
PIN Sensitivity
(1) The light intensity
(measured with
Laser monitoring system)
(2) PIN ADC value
(for the no attenuation light)
(3) = (2)/(1)
PIN Sensitivity 2
Light Intensity
PIN Response
PIN Response/Light Intensity
Average (ADC)
4253
461
0.1
1σ
222
30.4
0.001
Relative Error (%)
5.22
6.59
8.01
PIN reflects the light intensity fluctuation with 8%.
Gain Definition
R det  G det  N photon
R ref  G ref  N
G det  G ref  (
photon
R det
)
R ref
 G det  G ref   (
R det
: Response of detector
R ref
: Response of PIN
G det
: Gain of detector
G ref
: Gain of PIN
: Number of photons
N
R det
R ref
)
photon
Detector Saturation
Light Source
Nitrogen/dye Laser
Light filtering system
HERMES Time Scale
GMS Event Rate
GMS event rate depends on the motor rotating
speed. The below figure shows motor voltage
dependence GMS event rate.
The Polarized beam at HERA
• Self-polarization by emission of synchrotron
radiation
• Average beam polarization <pb> ~ 55 %
Detector Gain Evaluation
(1)
(2)
(3)
Gain change
for about 7 months
(all year 2000 data).
(1) + (2) + (3)
A part of detectors gain
decreases about 2%
Generation of Light Pulses
process
(1)
process
(2)
process
(3)
Nitrogen Laser Dye Light filtering system
Laser Monitoring System
GMS components in E.T
PIN Linearity
The Gain Gap
Polarized
target
• 40 cm long open-ended storage cell
• Undiluted internal targets :
– H,D,3He longitudinally polarized atoms
• Laser driven polarized 3He (1995) :
– PT=46 %, =1015 N/cm2, Δtflip ~ 10 min
質問集１
Q１．GMSが６つの強度の光を選んだ理由
A1. 必ずしも６つである必要はないが、PMTの
linearity を評価するのには異なる強度の光を
PMT に送る必要がある。
Q２．波長を５００nmにする理由（GMSが送っている光の波長に
ついて）
A2. 窒素レーザーのdefault 出力は３３７．１nm
で、Dyeを用いることで波長を変換している
（５００nm）。
Q３．GMSのevent rate
A3. GMSのevent rateはモーターの回転周波数
に依存している。通常は約３Hzていどに設定され
ている。
Q4. reference detector と detector でのGMS event
の同期のさせ方
A4. 光ファイバーの長さおよびsignal delayを用
いて調整し、同期できるように設計してある。
Q５．10% attenuation filter の光を840個（calo）に分けても
ちゃんとPMTは反応するのか
A５． Calo のレスポンスをみるとちゃんと６つの
ピークが見えているので問題ない。
Q６．なぜGMSの定義するgainの評価の方法でPMTの増幅率
が分かるのか
A6. 厳密には検出器のゲインは分からないが、
reference detectorにたいしての相対的なゲイン
については評価することができる。
Q７．どのようにGMS event かどうか判別するのか
A7. GMS event は GMS trigger を
用いて識別されている。
Q８．Laser の出力は なぜ 変動するのか
A8. ？？？？
Q９．Laser の出力についてはもにたーしているの
か
A9. Laser の出力をモニターするシス
テムがある。
Q１０．各検出器にはどれだけのphotonが送られて
いるのか。
A10. Laserの出力時には約１００μJ
であるとすれば、この時点では１０＾２０
個程度のphotonが作られている。
Q１１．ADCのHistogramで、それぞれのピークが
広がっているのはなぜか
A11. 主な原因はLaserの出力の変動
およびファイバーなどのGMSの
hardwareに起因したものによる。
Q１２．鉛ガラス、PMTの劣化などをモニターするこ
とは可能か。
A12. Calo については、HERAのビー
ムによるradiation damage が考えら
れるが、これについては、それのモニ
ターを目的としたreference detector
がinstall されている。
質問集２
Q１６．Gainの不確定性さはどれくらいか
Q1３. 検出器のGMSに対する requirement は何か。
A16. 直線フィットした場合のゲインの不確
また、GMSはそれに対してどれだけその要求を満たし
定さは２％以下。
ているのか。
Q１７．本当にgainの定義は（scatter plotの傾き）は
A14. caloのエネルギーレゾリュウションが
検出器のゲインを反映しているのか。
最高で約５％程度である。その一方で、GM
A17. あくまでGMSが評価できるのは相対
Sのcaloに対するゲインの不確定性は２％
ゲインである。が、それを用いることで検出
以下であることから十分にcaloのE-resolution
器のゲインの変動をモニターすることができ
よりも良くゲインのモニターを出来ている。
る。
また、CaloはADC値からその粒子のエネル
ギーを算出する際、（ほぼ線形な）４次の関数
を使っている。この４次曲線をGMSがちゃんと
みることが出来ているかは現在検討中。
Q１４．GMSはいつdetectorに光を送っているのか
（Laser trigger）
A13. HERAのビームバンチの中の
positronがfillされていないところが
HERMES検出器の場所にきたときに
光を出すように設計されている。
Q１５．PINのGainの安定性はどうなっているのか
A15. Reference detector同士で
それぞれの相対ゲインを評価しているため
PINのゲインが変化した場合にはそれを
加味しなければならない。
GMS Performance
To evaluate the detector gain, the PIN has to satisfy
following points :
1. The PIN is sensitive to the Laser output changes
2. The gain of the PIN is stable