PMT simulation within

Creusot Alexandre, Veberič DarkoMalargue ­ April  2009

   

Introduction

TWO MAIN OBJECTIVES

­ Solve the discrepancy between experiment and simulation in the photoelectron number.

­ Update the current Offline model

Investigation of several PMT simulation models

Thin film treatment of the photocathode

Comparison with Photonis calibration experiment

Fast and simple model

Define a new effective quantum efficiency

Test of the validity of the model

   

State­of­art

=> Presented in November 2008

Further improvements: the multiplier structure=> PE number of 69

=> Photocathode simply refractive or absorbent

=> Photonis calibration taken into account

+46%+95%+31%increase70956348

Maximum of the Water absorption length: 100mLiner reflectivity: 94%

For VEM

   

Thin film model of PMT

Characteristics

Mirror reflectivity = 97%

Multiplier reflectivity = 30%

Neck reflectivity = 0%

Glass index = 1.47

PHOTOCATHODE: COMPLEX INDEX OF 

REFRACTION

   

Photocathode absorption A(, )

Fresnel  equations for a thin film(d is the thickness of the photocathode)

n=−i

n=η− iκ

   

Photocathode absorption A(, )

d = 20 nm  = 442 nm

   

Conversion factor

Reference: for a perpendicular beam and for  = 375 nm26% of the photons are detected (Photonis experiment)

Definition: probability for an absorbed photon to free an electron

Assumption: This probability does not depend on wavelength [there is an experimental evidence it does not depend on angle]

The conversion factor cf is obtained from the dedicated  simulation of the Photonis experiment and is equal to 0.4

   

Quantum efficiencyDefinition: the quantum efficiency q is the probability for a 

photon to free an electron at the crossing of the photocathode

Obtained with the Offline GEANT4 simulation modules

q λ=A λc f

   

Incoming photons

: Angle between the arrival direction and the normal to the photocathode surface

Distribution of the wavelength of the photons arriving on the photocathode

Wavelength Angle

Glass cut­off Outgoing photons reflected at the dome­

water interface

Reflection at the dome entrance 

(water­dome interface)

PMT dome

waterPMT dome

water

   

Effective quantum efficiencyDefinition: the effective quantum efficiency qeff is the probability for 

an incoming photon to free an electron.

where   is the probability for the αphotons transmitted in the PMT to 

reach again the photocathode.correction factor

qeff will be used in the original, simple and fast model of PMT (current model used in Offline)

qeff λ=q λ1α λ

qoffline 

   

Results

   

Results

3.033.053.02Q/A58 ns58 ns59 ns

868848NPE

Offline rescaledThin filmOfflinemodel

=>  and Q/A are the same

=> NPE improved significantly and comes close to the experimental value (94)

   

Comparison with Granada measurement

See Sergio Navas presentation for more information

Angular dependence

   

Conclusion

+46%70

+83%88

+79%+95%+31%increase

86956348

rescaled

Photonis calibration taken into account

­ The problem of the PE number is solved 

fine tuning by adjustment of the tank variables

­ The thin film model can safely be approximated with the current (simpler and faster) Offline model if q

eff is used.

no need of the slow Geant4 tank module (with tracking of all photons)

   

Outlook

­ The thin film model will be implemented in the Offline framework and the quantum efficiency of the current model 

will be updated to the effective one

­ Additional measurements: internal part of the PMT (multiplier reflectivity, mirror absorption…) 

USERS SHOULD RUN THE SIMULATION WITH THE CURRENT OFFLINE MODEL AND THE 

EFFECTIVE QUANTUM EFFICIENCY!

   

Comparison with Granada measurement

Wavelength