IDM 2004Robert Hollingworth

Low Temperature Tests of Photomultipliers For

Use in Liquid Xenon Experiments

Robert Hollingworth

IDM 2004Robert Hollingworth

Overview

Tube Description

Experimental Procedure

Tube Results

R8778 Tube and Results

Conclusions

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Reasons For Testing

The tubes are to be used in ZEPLIN II, an experiment in the  UK  Dark  Matter  Collaboration  using  liquid  xenon as a target medium.

The  tubes  needed  to  detect  175nm  scintillation  light, have a fast time response and a low dark rate.

Since  the  tubes  had  only  been  tested  at  room temperature,  it  could  not  be  assumed  that  they  would function similarly at LXe temperatures,~163K(­110°C).

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Tube Description

Tube properties:12.8 cm diameter

Hemispherical bulb

Quartz windowed

Bi­alkali photocathode

Large detection area

Not low background

Tubes are developmental tubes fromElectron Tubes (D742QKFLB).

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Initial Box Arrangement

Tube  under  test  placed  into  a  light­tight,  thermally  insulated  cooling box.

Cooling  performed  using  cold nitrogen  vapour  from  an  external liquid nitrogen dewar, equipped with a 10W heater.

Photomultiplier

Light prism

Thermometer

460nm light transferred to the box by plastic  optical  fibre.  LED  outside  of cooling box.

Light  projected  onto  tube  by  45°plastic prism.

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Final Box ArrangementDuring the tests,  two more  light sources were  added.  A  370nm  source  and another 460nm source.

370nm  light  used  to  test  a  wavelength closer to the operating wavelength.

Second  460nm  source  used  to  test  for any  effects  of  photocathode  resistivity changes.

Previously  run  tubes  kept  in  box  for temperature cycling.

Another  thermometer  was  strapped  to the  tube  for  more  accurate  temperature measurements.

New thermometer Near blue light 

UV light Far blue light

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Description of Method

Cooling box

LN2 Dewar

Oscilloscope

All tubes powered to 1200V.

Tubes  left  for  24h  in  the  dark,  to  allow photoluminesence in the glass to decay.

Tubes cooled using nitrogen vapour.

Cooling rate kept at 20­30Kh­1 to maintain thermal  equilibrium  between  inside  and outside of tube.

Response data  taken  for each LED at 10K intervals.

The  light  from  each  LED  was  pulsed  at 10kHz. Light pulses were ~4ns duration.

Signals  from  tube  recorded  on  an oscilloscope.

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Description of Method cont.

The  oscilloscope  integrated  the  area  under  the  (V,  t)  signal  pulses  and histogrammed them, to give the response of the tube.

The  response  was  taken  to  be  the  amount  of  charge  produced  in  the  tube from a single input LED pulse; a combination of the quantum efficiency of the photocathode and the dynode gain.

The  near  blue  light  only  illuminated  a  small  central  section  of  the photocathode. The far blue light illuminated the whole photocathode.

The effect of any changes in the resistivity of the photocathode would cause  changes in the ratio of the response of the two blue lights.

The dark rate of the tubes was also measured at each temperature value.

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Typical Response Results

Temp, °C

Nor

mal

ised

 Res

pons

e, A

rb

Nor

mal

ised

 Res

pons

e, A

rb

Nor

mal

ised

 Res

pons

e, A

rb

Temp, °CTemp, °C

Blue Far, Blue Near, UV• ••

These  results  show  that  the  response  of  the  tubes  did  not  diminish  at  low temperatures, but mainly increased.

It is unknown why the response to the UV light increased more significantly than that to the blue light.

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Response Ratio Plots

The  ratio  of  the  far  to  near  responses  for  blue  light  does  not  change dramatically. The maximum difference is less than 10%.

Thus  the  effect  of  the  changing  photocathode  resistivity  shouldn't  have  a large effect on the signals from the tubes.

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Dark Rate Plots

Temp, °CTemp, °C Temp, °C

Dar

k ra

te, s

­1

The dark  rate of  the  tubes does  fall  rapidly with  temperature, but does  rise again  at  low  temperatures,  as  expected.  Unfortunately  the  operating temperature of the tubes is not within the plateau region of the dark rate.

Dar

k ra

te, s

­1

Dar

k ra

te, s

­1

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R8778 Tube

A Hamamatsu R8778 was also tested.

It is a new low background tube, that could be used in the next generation of xenon based dark matter experiments.

It is an all metal tube with a quartz window.

Without  the  need  for  a  graded  seal  the  background  in  the tube is greatly reduced.

The  same  tests  were  performed  on  this  tube  as  on  the others.

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R8778 Results

Temp, °C

Nor

mal

ised

 Res

pons

e, A

rb

Temp, °C

•••

460nm Far460nm Near370nm

The response to the Blue light falls slightly at low temperature.

The response to the UV light still has a large increase.

The Blue light response ratio is better than before.

The dark rate is still good.D

ark 

rate

, s­1

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Conclusions

Low  temperature  test have been performed on eleven 12.8cm hemispherical photomultipliers.

The  results  show  no  fatal  effects  that  would cause the tubes to be rejected.

The  tests  of  the  R8778  showed  that  it  too operated satisfactorily at low temperature.