Исследование эмиссии электронов в двухфазном детекторе

Исследование эмиссии электронов в двухфазном
детекторе
Алексей Коновалов
24.04.2015
План рассказа
1. История обнаружения и исследования одноэлектронных сигналов
2. Постановка эксперимента, детектор РЭД-1
3. Отбор событий по типу сигнала, на который выработался триггер
4. Оценка фоновых условий и частота регистрации SE
5. Кластеризация однофотоэлектронных сигналов ФЭУ
6. Зависимость скорости счёта SE от времени
7. События с краевой электролюминесценцией
8. Восстановление пространственной картины события
9. Выводы и проблемы
История обнаружения и исследования
ZEPLIN-II
- Наблюдение малых электролюминесцентных сигналов
- Световой выход совпадает с измеренным для одиночного электрона
- Координаты событий распределены в плоскости XY
- Частота регистрации сигналов пропорциональна величине Sc.
B. Edwards et al. “Measurement of single electron emission in two-phase detector”,
arXiv:0708.0768v1
История обнаружения и исследования
ИТЭФ: Наблюдение «спонтанных» SE
A. A. Burenkov et al. “Detection of single electron in Xenon-Based Electroluminescent
Detectors”, Physics of Atomic Nuclei, 2009, vol. 72, № 4, pp.693-701
ZEPLIN-III
- Зависимость скорости счёта SE от общей загрузки детектора
- Зависимость скорости счёта SE от времени блокировки после ELm.
E. Santos et al. “Single electron emission in two-phase xenon with application to the
detection of coherent neutrino-nucleus scattering”, arXiv:1110.3056v1
РЭД
- Зависимость скорости счёта SE от напряжённости электрического поля
- Зависимость скорости счёта SE от наклона детектора
Д.Ю. Акимов и др. “Измерение одноэлектронных шумов в эмиссионном
детекторе на жидком ксеноне”, ПТЭ, 2012, № 4, с.7-13
Происхождение одноэлектронных сигналов
SE по происхождению
фотоионизационные
«спонтанные»
«отложенная» эмиссия (?)
эмиссия с катода (?)
E~150кВ/см
Эксперимент на установке RED-1
1) Запись ~268 мс после прохождения мюона через детектор в
канале высокой чувствительности, ~4.2 мс в канале низкой
2) Наклон детектора
Относительно полная временная картина события
Относительно полная геометрическая картина
Энергетическая картина
Проблемы с восстановлением геометрии
Что измеряем: te или tc?
Отбор событий по триггеру (FWHM>7 мкс, start < 10 мкс)
Стандартный μ:
35
Краевая ELm.:
38
Многократное рассеяние: 7
«Битый» μ:
10
«Нечто»:
10
Исследование на наличие крупных энерговыделений
Разделение шум/сигнал:
Определение
амплитудных порогов –
меры величины сигнала
Исследование на наличие крупных энерговыделений
№
канал
а
Среднее
значение,
каналов АЦП
А/с
отклонение,
каналов АЦП
Порог,
каналов
АЦП
Доля событий с
амплитудой больше
пороговой, %
0
62
58
354
0.13
1
81
82
488
0.16
2
65
58
355
0.07
3
59
43
274
0.04
4
72
65
395
0.05
5
62
51
317
0.03
6
64
49
309
0.08
9 событий без «крупных» энерговыделений (start > 400 мкс)
Повторение процедуры нахождения «нижних» амплитудных
порогов на этих данных
Оценка времени затухания скорости счёта
№ канала
0
1
2
3
4
5
6
Порог, каналов
АЦП
26
36
28
34
27
34
36
misID, %
0.9
1.1
0.7
1.2
0.8
0.8
1.0
Counts/0.5 ms
Пример временного распределения spe:
Time, s
t из промежутка [0.5; 10] мс
Наличие нестатистических отклонений бинов (>4.5 σ – 1/147160 событий)
500 бин * 9 событий * 0.5 мс = 2.25 с, 11 отклонений
4.9 ± 1.5 Гц
4.9 Гц * 0.01с (область интереса) = 0.05 вероятность фонового события
Кластеризация однофотоэлектронных сигналов
Принцип: совпадение spe в рамках временного окна – 2 мкс
Для каждого spe проверяется, попадает ли он в кластер:
[se_start – (2 мкс – se_duration), se_start]
или
[se_end, se_end + (2мкс – se_duration)]
Если попал – пересчёт характеристик кластера,
переход к следующему spe, если нет – создание нового кластера.
Характерные времена сокращения скорости счёта SE
«В лоб»
Если se_counts>2 и se_duration>0.2 мкс, 1 запись в бин
Если se_duration>1 мкс и кластер изолирован – ещё 1 запись
Если se_duration>1 и кластер не изолирован, а кластер слева (справа) имеет se_counts<2,
то +1 к верхней ошибке
Альтернативный метод
Результаты метода «в лоб»
Результат: t = 1.41 ± 0.04 (стат.) мс ….[1.43,1.69]
Результаты альтернативного метода
Результат: t = 1.28 ± 0.05 (стат.) мс
Суть альтернативного метода
Разбиваем бин в 0.5 мс на 500 промежутков длительностью 1мкс
Считаем, в скольки промежутках нет(!) начала SE
P(0) = N(нет)/N(есть) = exp (-λ1), λ1 = - ln[P(0)].
λ500= λ1*500
Это и есть искомая частота регистрации SE
Частота spe от времени
Результат: t = 1.53 ± 0.02 (стат.) мс
Список проблем:
1) Наличие «длинной» компоненты, какое время мы ищем?
2) Есть ли более «короткая» компонента?
To be continued…
Точечные события и сопровождающая их краевая ELm.
«Сопровождающий» сигнал
возникает на краю детектора
Характеристики «сопровождающих» ELm сигналов
Расстояние от «материнского» до «сопровождающего сигнала» в зависимости от
временного интервала между ними
Ширина «сопровождающего сигнала» в зависимости от временного интервала
ratio
log(S2/S1)
Характеристики «сопровождающих» ELm сигналов
S1,phe
ratio
ratio
Time, s
Time, s
Time, s
Список проблем:
1) Наличие «длинной» компоненты, какое время мы ищем?
2) Есть ли более «короткая» компонента?
3) Почему не найдено «сопровождающих» ELm. у ненасыщенных
событий?
4) Сколько всё-таки заряда под поверхностью?
…И какое из
характерных времён
мы измеряем?
Восстановление пространственной картины μ событий
Восстановление пространственной картины: SE
Восстановление пространственной картины: SE
Distance, arb. units
Восстановление пространственной картины: SE
Time, s
Характеристики зависимости
9100 ± 500 arb.inits/s
Типичное расстояние между импульсами
90 % интервалов меньше 300 нс!
Восстановление пространственной картины: SE’
Характеристики зависимости
9300 ± 800 arb.inits/s
Что с чем сравнивать?
Сравниваем скорость, полученную из SE со скоростью,
полученной из анализа «сопровождающих» сигналов:
9300 ± 800 (стат.) vs. 6900 ± 100 (стат.) arb. units/s
Список проблем:
1) Наличие «длинной» компоненты, какое время мы ищем?
2) Есть ли более «короткая» компонента?
3) Почему не найдено «сопровождающих» ELm. у ненасыщенных
событий?
4) Сколько всё-таки заряда под поверхностью?
5) Что за время измерено?
6) В чём причина расхождения «скоростей»?
7) Что случается на краю, почему меняется прозрачность?
Что после краевого «сопровождающего» сигнала
Список проблем:
1) Наличие «длинной» компоненты, какое время мы ищем?
2) Есть ли более «короткая» компонента?
3) Почему не найдено «сопровождающих» ELm. у ненасыщенных
событий?
4) Сколько всё-таки заряда под поверхностью?
5) Что за время измерено?
6) В чём причина расхождения «скоростей»?
7) Согласуется ли полученная картина с тем, что было получено на
специально настроенном триггере?
Список достижений
1) Найдено какое-то время
2) Прояснена природа «сопровождающих сигналов»
3) Наблюдаются корреляции расстояние-время для SE
Спасибо за внимание!