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Super-Kamiokande Gadolinium R&D Project:
Calibration work of 200 ton Gd-loaded water
Cherenkov detectors
Gd添加水チェレンコフ検出器EGADSにおける検出器較正
日本物理学会第70回年次大会
2015/3/21
早稲田大学
徐宸原（岡山大学）
for the Super-Kamiokande Collaboration
Outline
Introduction
EGADS検出器較正の現状
EGADS検出器較正の手法
Calibration data解析の結果
まとめ
Introduction
neutron
proton
１、逆Beta崩壊で生成された中性子がGd
に捕獲されて放出されたgamma線と陽電子
信号を同時測定するのがGADZOOK！のポイ
ントである。
２、世界初の超新星背景ニュートリノ
（SRN）の検出が、GADZOOK！の目標であ
る。
３、GADZOOK！の先行実験として、200ト
ン水チェレンコフ実験（EGADS）が行われ
ている。
ne
Gd
g
e+
EGADS検出器較正の現状
√ 高電圧値の設定完了
√ 時間応答測定完了
√ 量子効率測定完了
√ 増幅率測定完了
√ PMT長期安定性モニターのインストール完了
√ 中性子検出効率測定
EGADSにおけるPMTの高電圧値設定
𝑄 𝑖 ∝ 𝑄𝐸(𝑖) × 𝐺𝑎𝑖𝑛 𝑖 × 𝑁𝑝ℎ𝑜𝑡𝑜𝑛
Xe Lampを光らせ、scintillator ballを
tank中心に置き、各PMTの偏差を見る。
（scintillator ball を回転してball自身の
非対称性をcancellする）
HV較正後、各PMTの偏差1%以内おさえた。
較正後
EGADSにおける時間応答測定
PMTに入る光量は大きい程、time-walkによ
り、信号を出すtimingが早まる。
信号を出力するtiming-chargeの関係を
TQmapに作り、dataに修正をかけている。
Laser Diodeの利点：
１、時間精度が良い(~60ps)
２、操作しやすい
３、High rate（1kHz）で発光可能
４、小光量から大光量まで発光可能
EGADSにおけるPMTの量子効率較正
Cf-Ni線源を使い、1pe levelの信号測定により、
各PMTのhit rateを計算し、さらに場所依存性
をcancellする為にMC（全QE同じ）と比較し
て、relative QE table（量子効率）を作った。
RMS<6%
252Cf線源を57NiOのball中心に置き、
57Ni(n,γ)58Ni
γ~9MeV
EGADSにおけるPMTの増幅率(gain)較
正
Laser Diodeで高強度（20pe）と低強度（1pe）
でdataを取り、両方を比較する事により、各
PMTのrelative gain（増幅率）のtableを作っ
た。
RMS<7%
高強度の電荷
𝑄ℎ𝑖𝑔ℎ ∝ 𝐼ℎ𝑖𝑔ℎ × 𝑎 𝑖 × 𝜖𝑞𝑒 (𝑖) × 𝐺(𝑖)
低強度のhit rate
𝑁𝑙𝑜𝑤 ∝ 𝐼𝑙𝑜𝑤 × 𝑎 𝑖 × 𝜖𝑞𝑒 (𝑖)
Relative gain
𝐺(𝑖) ∝
𝑄ℎ𝑖𝑔ℎ (𝑖)
𝑁𝑙𝑜𝑤 (𝑖)
PMT長期安定性モニター
Xeのscintillator ballとLEDの
diffuser ballを中心部から離れた場
所に置き、normal runの共にXeと
LEDのballを1Hz程度で光らせ、PMT
の長期安定性を見る。
Xe scintillator ball
Tank外、2inch PMTとAPDでXe
Lampからの光量を監視する。
LED diffuser ball
Tank Top View
PMTを利用した透過率の変動測定
85
透過率測定器(UDEAL)によって測定した15m距離でのチェレンコフ換算光量
80
75
70
65
Far
Near
60
UDEALの傾向とよく一致。
Gd 1st Batch
透過率が安定して後はfar/near比が0.5%以内で当初と変化がない。
fast circulation
Gd 2nd Batch
PMTの種類による変化の違い
Gd 1st Batch
Gd 2nd Batch
±𝟎. 𝟓%以内でPMT種類による変化は見られない
まとめ & 展望
PMTのcalibration (高電圧設定、量子効率、ゲイン、時間応答)が完了
し、現在は安定して稼働している。
PMTを利用した透過率の変動測定結果は透過率測定器（UDEAL）の変化
と良く一致し、安定後はfar/near比の変化が0.5%以内だった。
PMTの種類(acrylic+FRP, FRP only)による違いは±0.5%以内で特に違い
がみられない。
今後、full loading (0.2% Gd2(SO4)3) で更に確認する。
calibration結果を精度よく入力したMCにより、比較の精度をあげる。
Backup
HV Calibration with Xe Lamp
0°
120°
240°
average
PMTを利用した透過率の変動測定
Gd 1st Batch
fast circulation
Gd 2nd Batch
停電
EGADSにおけるPMTの長期安定性モニター
fast circulation
Gd 1st Batch
Gd 2nd Batch
EGADSにおける中性子捕獲Gd γ測定
Am/Be 線源とBGOを使い、純水、
0.02% Gd、0.1% Gd溶液でのGd
gammaを測定した。
Am/Be：
241
𝐴𝑚 →
9
𝐵𝑒 + 𝛼 →
237
𝑁𝑝 + 𝛼
12
𝐶 + 𝑛 + 𝛾(4.4𝑀𝑒𝑉)
後発信号ゲート1μs
EGADSにおける中性子捕獲Gd γ測定
0.1% Gd, 4/2/15
Fitting faction:
𝑦 = 𝑝0
−𝑥
𝑒 𝑝1
+ 𝑝2
Capture time: 𝑝1 = 48.73 ± 0.45 𝜇𝑠
0.1% Gd, 13/3/2015
0.1% Gd, 4/2/2015
0.02% Gd, 5/1/2015
Pure water, 20/11/2014
0.1% Gd, 13/3/15, Cap time: 𝟓𝟏. 𝟓𝟗 ± 𝟎. 𝟒𝟕 𝝁𝒔
0.1% Gd, 4/2/15, Cap time: 𝟒𝟖. 𝟕𝟑 ± 𝟎. 𝟒𝟓 𝝁𝒔
0.02% Gd, 5/1/15, Cap time: 129.3±𝟏. 𝟓 𝝁𝒔
Pure water, 20/11/14, Cap time: 𝟐𝟐𝟔. 𝟓 ± 𝟏𝟏. 𝟏 𝝁𝒔
APD
Fiber bundle
Xe flash lamp
optical fiber
scintillator ball
2 inch PMT
pre-treatment tank
water circulation
system
Udeal system
QE
gain
2.197
118
110
102