Test of the JUNO 20-inch PMTs during Installation

技術要約：設置時におけるJUNO 20インチPMTの試験

問題提起
江門地下ニュートリノ観測所（JUNO）は、ニュートリノ質量階層性を決定するために、1 MeVで3%のエネルギー分解能を必要としている。この性能は、中央検出器（CD）およびベト（Veto）システムに設置された2万個以上の20インチ光電子増倍管（PMT）に依存している。これらのPMTの設置には特有の課題があった。PMTは極めて高密度なレイアウトで配置されており、隣接するユニット間の平均隙間はわずか3 mmである。一度複数の層が設置されると、初期に設置されたPMTを交換することは事実上不可能となる。したがって、後続の層が追加される前に、光漏れや接続不良などの問題を特定・解決するために、設置直後にPMTの機能を検証することが極めて重要であった。同時に、将来のコミッショニング・フェーズに向けた運用経験を得ることも必要であった。

手法
著者らは、2022年10月から2024年12月にかけて、設置された20,343個の20インチPMTのうち19,843個を対象とした7つの異なるテストキャンペーンを実施した。テスト・プロトコルは以下の主要なステップで構成されている：

• 環境制御： テストは完全な暗所環境下で行われた。実験ホール、トンネル、および周囲の部屋にあるすべての可視光源は消灯された。テストグループに高電圧を印加する前に、専用のモニタリングPMTを使用して迷光の不在を確認した。
• 高電圧（HV）ランプアップ： 残留光や不安定性のリスクを軽減するため、高電圧は段階的に（0 V $\to$ 800 V $\to$ 1200 V $\to$ 1600 V $\to$ 設計値）印加された。各ステップにおいて、システムはダークカウント率（DCR）を測定するために数分間待機した。DCRが600 kHzを超えた場合、検査のためにテストを一時中断した。
• データ収集： PMT信号は、1000 nsのウィンドウ内で1 GS/sのフラッシュADCによってデジタル化された。グローバルコントロールユニット（GCU）のFPGA内にある自己トリガー・ロジックが、15 ADCカウントの閾値を超える信号を有効なダークカウントとして登録した。
• 解析範囲： 本研究では、プロンプトDCRマップ、PMTゲイン、波形特性（立ち上がり時間、立ち下がり時間、FWHM）、およびダークノイズデータから得られた電荷スペクトルを解析した。

主な貢献

• 設置検証プロトコル： 本論文は、モジュール化されたトップダウン型の設置戦略と、高密度でアクセス困難な環境におけるPMT機能のリアルタイム検証を可能にする対応するテストフレームワークを詳述している。
• 包括的な性能データセット： JUNOの20インチPMT（MCP型およびダイノード型の両方）について、最終的な設置構成における最初の広範な性能データを提供しており、これは検出器アレイのほぼ全域をカバーしている。
• 診断手法： 本研究は、PMTの故障と読み出し電子機器の接触不良を区別するために、チャンネル・スワッピングを用いて無反応のPMTを特定するという、実用的な故障診断アプローチを示している。

結果

• 設置の成功： 合計20,343個のPMTが正常に設置された（CDに17,596個、VETOに2,747個）。これにより、CDの最終的な光学被覆率は75.14%となり、設計要件である75%を満たした。
• 迅速な診断： リアルタイムの3D DCRマップにより、大多数のPMTが正しく機能していることが確認された。4つのPMTが無反応（DCRゼロ）であったが、チャンネル・スッピングにより、そのうち2つは回復可能（接触不良を示唆）であり、残りの2つは回復不能と判断された。ただし、アクセスが困難であることを考慮すると、これらは交換を検討するほどの影響を与える数ではなかった。
• 性能指標：
  • ゲイン： 平均ゲインは、MCP PMTで$1.19 \times 10^7$、ダイノードPMTで$0.97 \times 10^7$と測定された。これらの値は目標値の$1.0 \times 10^7$からわずかに逸脱しているが、これは以前の倉庫でのテストと比較して、環境の違い（温度、ポッティング効果、地球磁場の欠如）に起因するものとされる。
  • ダークカウント率（DCR）： 平均DCRは59 kHzから85 kHzの範囲であった。これはPan-Asiaの倉庫でのテストで観察された約25 kHzよりも大幅に高い。著者らは、この上昇の原因を残留環境光と冷却時間の不足によるものとし、水槽が満たされ黒色プラスチックカバーが設置される公式運用開始時には、DCRは減少すると指摘している。
  • 波形と電荷： 波形形状（立ち上がり/立ち下がり時間およびFWHM）は、以前のPan-Asiaのテスト結果と一致していた。電荷スペクトルは、MCPで約1.18 pe、ダイノードで約0.98 peのピークを示し、MCPスペクトルはこのPMT型に特徴的な長いテールを示した。

意義
本論文は、これらのテストがJUNO検出器の設置成功において極めて重要な役割を果たしたと主張している。プロセスの中盤で機能を検証することにより、チームは、困難な設置条件下においてもPMTが期待通りに性能を発揮していることを確認した。本研究は、観察されたゲインおよびDCRの偏差が、PMT自体の欠陥ではなく、テスト条件の差異に起因するものであることを立証している。さらに、これらのキャンペーンから得られた経験は、2025年8月に開始されたその後の検出器のコミッショニングおよび公式データ取得フェーズのための強固な基礎を提供した。これらの結果は、モジュール化された設置アプローチと、最終的な運用構成におけるPMTシステムの堅牢性を検証するものである。