CTA報告194:
CTA大口径望遠鏡2-4号機のカメラ開発の現状
阿部日向

A, 猪目祐介 A, 岩崎啓 B, 岩村由樹 A, 大岡秀行 A, 岡知彦 B , 岡崎奈緒 A, 奥村曉 C, D, 折戸玲子 E, 片桐秀明 F, 櫛田淳子 G, 窪秀利 B, 郡司修一 H,齋藤隆之 A, 櫻井駿介 A, 佐々木寅旭 I, 砂田裕志 I, 高橋光成 A, 武石隆治 A，立石大 I, 田中真伸 J, 手嶋政廣 A ,K, 寺内健太 B, 寺田幸功 I, 門叶冬樹 H, 橋山和明 A,中森健之 H, 西嶋恭司 G, 野上優人 F, 野崎誠也 B, 野田浩司 A, Daniela Hadasch A, Daniel Mazin A ,K , 山本常夏 L , 吉田龍生 F , 他 CTA-Japan Consortium

東大宇宙線研 A，京大理 B，名大 ISEE C，名大 KMI D，徳島大理工 E，茨城大理 F，東海大理 G， 山形大理 H，埼玉大理 I，KEK 素核研 J，マックスプランク物理 K，甲南大理工 L

LST焦点面カメラ
LST

カメラモジュール

焦点距離 28m

23m• エネルギー閾値：20 GeV• 総重量：120 t• 視野：4.5• 20秒で180 の旋回が可能

2.2m• 検出器：1855本のPMT（ 7 [PMT/module] x 265 [module]）• 水冷冷却システム• 1ピクセルの視野角：0.1度• ライトガイド + PMT + 読み出し基板• ダイナミックレンジ：~ 0 - 2000 p.e.
• サンプリング周波数：~ 1 GHz
2読み出し基板

FPGA（日本・イタリア担当）
ADC converter

カメラモジュール

メインアンプA/D

信送ターデ号
信MT

集光器

credit: Tomohiro Inada

バックプレーンP（スペイン担当）
24V電源の供給••

DRS4
アナログメモリチップ
キャパシタ4096個

SCB
7PMT+プリアンプ
Hamamatsu R12992•• カメラサーバーとの••通信
トリガー信号の分配
クロックの分配• PMTにかける高電圧の制御• 基板テスト用パルスの生成

CW回路 プリアンプ
2系統の出力トリガー生成回路（裏面）（スペイン担当）
隣接モジュールのピクセル信号を足し合わせ、トリガー信号を作る

3

LST2-4号機モジュール試験• 組み立て• PMT + 読み出し基盤• 集光器 (~7mins/module ~ 2hours/camera)• 試験1) モジュールの交換 (~20mins)
2) PMT-ID, モジュールIDの照会 (~3min)3) 19モジュール単位のミニカメラでの試験•

読み出し基板のみ

•
•
•
•
•

ファームウェア書き換え (~15mins)
読み出し基板試験 (~15mins)
測定設定の初期化 (~3mins)

読み出し基盤試験解析・ウォーミングアップ (~30mins)
モジュール全体••••••

PMT + 読み出し回路 - 電気ノイズ測定 (~10mins)
多光電子測定 (~10mins)
1光電子測定 (~20mins)
リニアリティ測定 (~10mins)
アフターパルス測定 (20mins)
レートスキャン (~5mins)

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デバッグ用セットアップモジュールON/OFF指令

デバイス

遅延トリガー信号

光量設定

1.6 m
レーザーダイオード

24-V
電源(20 チャンネル制御)

コントロールトリガー信号

電源デバイス

ネットワークスイッチ

メイン
コンピューター

フィルター
ホイール

2.0 m
3.6 m

19 モジュール

データ・DAQ・印加電圧などの設定

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PMT運用電圧• PMTのゲインが約40,000になるような印加電圧を測定• PMT間で電圧差が大きいと電荷収集の電場構造に影響し、カメラ全体での出力信号のタイミングや幅が一様でなくなる• トリガー遅延回路によって信号のタイミングは6 nsまで調整が可能
測定結果• 平均 標準偏差：1141 35 V
• cf. LST1 : 1061 29 V
• 1050 - 1250 Vに収まっており、到来時間差は~1.5 < 6 nsであ~1.5 nsり、十分遅延回路によって調整が可能

6（砂田他2019JPS）

1010SN比105σ43Gain(3.7±1.2)e4
1 p.e.@1400 V(87±3) ADC
S/N
6.0 σ2
F fit 1.142
F sbt 1.562• 運用電圧での1 p.e.に対するノイズの比を測定• 平均1 p.e.以下の暗いパルスを照射し、10S/N ~ 5.5

1−1000100

200

300

400500（1 p.e.のチャージ - 0 p.e.のチャージ） / 0 p.e.の標準偏差を計算

ADC Charge in 5 cells

10

測定結果

• 平均 標準偏差：5.5 0.5• 高いS/N ~ 5.5を確認

10105σ43Gain(3.9±0.9)e41 p.e.@1400 V(92±2) ADC
S/N
6.7 σ
2
F fit 1.102
F sbt 1.612101−1000100200300400500

ADC Charge in 5 cells

1045σGain
1 p.e.@1400 V(3.8±0.8)e4(89±2) ADC

7

パルス時間幅
3 ns• 1光電子が作る信号の波形を200ガウス関数でフィットし、半値全幅を計算

150• ~3 nsで到来するチェレンコフ
光の構造を記録するために短い時間幅での記録が重要
測定結果

FWHM=2.96 ns

100

500

• 平均 標準偏差：2.8 0.1 ns• cf. LST1 : 3.0 0.1 ns• 平均 3 nsの要求を満たす
FWHM=2.59 ns• ダイノード数がLST1→2-4 で 8→7 と仕様変更しており、運用−20−15−10−505101520200

電圧が大きくなったことでパルス幅が小さくなった
1508アフターパルス発生確率
4x10-4• 光電子の通過によって真空管内の残留ガスが電離され、イオンは光電面へと加速される。光電面に衝突したイオンが再び光電子を放出、遅れた信号として測定されることがある。

• アフターパルスによって偶発的なトリガーが生成されないよう、トリガー閾値を調整する必要があり、観測可能エネルギーの下限を決める重要なファクターとなる
測定結果

2 [us]後までの電荷が4 [p.e.]以上のものをカウント• 平均 標準偏差：2.2 0.6 x 10-4• 要求を満たさなかった2モジュールはPMT交換後、再測定予定
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アフターパルス発生確率●2021.11●2020.02• アフターパルス測定の結果を2020年2月と2021年11月に分割• 2021年の測定が高くなっていることからPMTの経年による2つのピークが見えると考えられる• 経年に伴ってヘリウムが真空管に入り込み、アフターパルスの発生確率が増加することが報告されている - 3.6 x 10-5/year（櫻井他2018JPS）• 3.6 x 10-5/year x 1.75 year ~ 6.3 x 10-5
• PMT使用の際の光子入射の積み重ねによってアフターパルスは2倍程度減少することが示されている（櫻井修論2018）→望遠鏡に搭載後もモニターすることが必要（櫻井修論2018）10

LST2カメラインストールと試験
カメラ筐体への取付• カメラ構造体• 265個のモジュール• 電源• トリガーインターフェースボード• 時刻記録システム• イーサネットスイッチ• 各システムを繋ぐケーブル他
カメラ試験

• 電源
• 通信
• ペデスタル• クロストーク• 時間分解能• デッドタイム• トリガー 等WŝǆĞůƚĞŵƉĞƌĂƚƵƌĞƐ

• 全てのサブモジュールのカメラ筐体への取り付けが完了• 電源と冷却機能が設計通り機能していることを確認→モジュールとバックプレーンの通信確認へ

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まとめ
• カメラモジュール試験（テネリフェ）• LST2-4に必要な785モジュール全ての測定を行い、不合格モジュールの交換を行い、再測定2モジュールを除いた783モジュールが要求仕様を合格• モジュールはバルセロナの高エネルギー物理学研究所（IFAE）に送られ、LST3は今年10月、LST4は来年3月にカメラ筐体に搭載予定• カメラ統合試験（バルセロナ）• LST2• カメラ筐体への全てのサブモジュールの取り付け、電源と冷却システムの動作確認が完了• モジュールとバックプレーンの通信をはじめとした、残りのカメラ試験へ• LST2：2024年5月、LST3：7月、LST4：10月に望遠鏡に搭載予定
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