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 田中 秀和 田中 秀和, 大須賀 弘, 宮地義之, 柴田利明, 他 HERMES Collaborations 東京工業大学 基礎物理学専攻 柴田研究室 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 Contents 1. HERMES Experiment 2. Gain Monitoring System (GMS) Hardware Components 3. Gain Evaluation 4. Summary

The HERMES Experiment 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, 3 He) DESY, Hamburg, Germany HERMES HERA Storage Ring HERMES Detectors

The Gain Monitoring System The gain and its linearity for those PMTs can be monitored during data taking. ・ Calorimeter …………………… 840 ・ Hodoscopes …………………… 88 ・ Luminosity Monitor ……… 24 PMTs of the detectors monitored by GMS

Overview of GMS Components Reference detectors Detectors monitored by GMS Light filtering system 2. Distribute the light pulses 1. Generate light pulses of 6 type intensities N 2 Laser

Light Filtering System Light filtering system consists of motor, filter wheel and 5 attenuation filters. The Laser trigger is synchronized with HERA beam bunches and filter wheel. motor Motorized Filter Wheel

Detector Gain and Linearity Detector ADC value pedestal Reference detector ADC value ADC histogram of a detector. To evaluate the detector gain, GMS defines the relative gain using reference detector. ADC histogram of reference detector Detector gain ≡ slope

Online Monitoring The evaluated and normalized gain of the detectors is visualized on the GMS Pink Window. (updated per minute) The Pink Window Normalized Gain : Evaluated Gain

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 ADC histogram of reference detector, accumulated in a run. Typical correlation between detector and reference detector for event by event. Detector ADC value Reference detector ADC value pedestal

Reference Detector Histogram of reference detector ADC value, accumulated in a run. Typical scatter plot of detector ADC value vs reference detector for event by event. Detector ADC value Reference detector ADC value pedestal

Detector Response ADC histogram of the detector. The 6 peaks generated by the light filtering system

Electron-hadron separation : Preshower counter, Calorimeter, TRD Efficiency in the electron identification : > 97 % Contamination of hadrons to electrons : < 1 % Calorimeter Preshower counter TRD

Generation of Light Pulses Nitrogen LaserDye Light filtering system (1)(2)(3) nm 500 nmWave length Energy/Pulse250 μJ ≦ 100 μJ Pulse width : 5 sn 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.

HERA Storage Ring HERMES The HERMES DESY, Hamburg, Germany

Table : Filter attenuation Attenuation Filter

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 : pedestal subtracted detector ADC value : pedestal subtracted PIN ADC value This corresponds to the slope of the detector ADC vs PIN ADC. The relative gain is evaluated every “run” for offline monitoring.

Luminosity monitor Calorimeter The year 2000 data (run ) Detector Gain Evaluation (run, fill level)

Preshower counter Detector Gain Evaluation (run, fill level) The detector gain fluctuates less than 4%, in a fill. 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%

- 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. Summary and Outlook

Laser Monitoring Small PMT The Laser intensity fluctuates about 5%.

= 1/2 = 1/2 (Δu+Δd+Δs ) +ΔG+L q +L G ΔΣ Quark spin contribution to the nucleon spin ( ΔΣ ) is found to be small in polarized DIS experiments. ΔΣ ～ 0.2 ~ 0.3 Target fragments Current fragments e e HERMES Physics Motivation (Deep Inelastic Scattering) DIS

Relative Gain Definition : Averaged Pedestal ADC value : Number of GMS events : PIN ADC value : Detector ADC value This corresponds to the slope of the detector ADC vs PIN ADC.

Gain Definition 2 : Averaged pedestal value : detector X, and PIN pedestal value : Number of pedestal events

Attenuation of lead glassQuantum efficiency of PMT Calorimeter Specification

Table 1 : Laser specification Table 2 : Dye specification

Light Distribution System Sub-splitter Main splitter

Table : PIN Photo-diode specification

GMS Fiber Network E.T (Electronics Trailer) D.A (Detector Area) Main splitter Sub-splitter Calo TOP Calo BOTTOM Light source

Detector Saturation

Laser Trigger Total number of bunches : 220 bunch

(1) The light intensity (measured with Laser monitoring system) (2) PIN ADC value (for the no attenuation light) (3) = (2)/(1) PIN Sensitivity

PIN Sensitivity 2 PIN reflects the light intensity fluctuation with 8%.

: Response of detector : Response of PIN : Gain of detector : Gain of PIN : Number of photons Gain Definition

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.

Self-polarization by emission of synchrotron radiation Average beam polarization ~ 55 % The Polarized beam at HERA

Detector Gain Evaluation Gain change for about 7 months (all year 2000 data). A part of detectors gain decreases about 2% (1) (2) (3) (1) + (2) + (3)

Generation of Light Pulses Nitrogen LaserDye Light filtering system process (1)(2)(3) process

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, 3 He longitudinally polarized atoms Laser driven polarized 3 He (1995) : –P T =46 %, =10 15 N/cm 2, Δt flip ~ 10 min Atmic beam source for polarized H/D (1996 ~ 1999) : –P T =92 %, =7 ×10 13 N/cm 2, Δt flip ~ 1 min Unpolarized gases : –H,D, 3 He, 14 N, 83 Kr…, ~ N/cm 2

質問集 １ Q １． 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。 Q ２．波長を５００ nm 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３３７．１ nm で、 Dye を用いることで波長を変換している （５００ nm ）。 Q ３． 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３ Hz 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。 Q ５． 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 A ５． 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。 Q ６．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。 Q ７．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。 Q ８． Laser の出力は なぜ 変動するのか A8. ？？？？ Q ９． 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。 Q １０．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１００ μJ 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。 Q １１． 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。 Q １２．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。

Q1 ３. 検出器の GMS に対する requirement は何か。 また、 GMS はそれに対してどれだけその要求を満たし ているのか。 A14. calo のエネルギーレゾリュウションが 最高で約５％程度である。その一方で、 GM S の calo に対するゲインの不確定性は２％ 以下であることから十分に calo の E-resolution よりも良くゲインのモニターを出来ている。 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。 Q １４． 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。 Q １５． 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。 Q １６． Gain の不確定性さはどれくらいか A16. 直線フィットした場合のゲインの不確 定さは２％以下。 Q １７．本当に gain の定義は（ scatter plot の傾き）は 検出器のゲインを反映しているのか。 A17. あくまで GMS が評価できるのは相対 ゲインである。が、それを用いることで検出 器のゲインの変動をモニターすることができ る。 質問集 ２

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