CTA ⼤⼝径望遠鏡に⽤いる光電⼦増倍管の性能評価および
2-4 号機カメラ製作の現状
佐々⽊寅旭, 砂⽥裕志, ⽴⽯⼤, 寺⽥幸功 (埼⽟⼤), 猪⽬祐介, 岩村由樹,⼤岡秀⾏, 岡崎奈緒, ⼩林志鳳, 齋藤隆之, 櫻井駿介, ⾼橋光成, ⼿嶋政廣,野⽥浩司, Daniela Hadasch, Daniel Mazin (東⼤宇宙線研), 今川要, 岡知彦,梶原侑貴, 窪秀利, 野崎誠也 (京⼤理), 奥村曉 (名古屋⼤), 折⼾玲⼦ (徳島⼤理⼯),⽚桐秀明, 鈴⽊萌, 野上優⼈, 吉⽥⿓⽣ (茨城⼤), 川村孔明, 塚本友祐,
⼭本常夏 (甲南⼤), 櫛⽥淳⼦, ⽣天⽬康之, ⻄嶋恭司, 古⽥智也 (東海⼤理),
郡司修⼀, 中森健之 (⼭形⼤), ⽥ 中真伸 (KEK 素核研), 他 CTA-Japan Consortium,
池野正弘 (KEK 素核研 , Open-It ), Antonios Dettlaﬀ (マックスプランク物理)

1

LST焦点⾯検出器
主鏡23m

2.3 m

28 m
焦点⾯検出器

module
集光器 (Light Guide)+

PMT 7本

Photo Credit: Daniel Lopez (IAC, Spain)

Large Sized Telescope (LST)
20 GeV ~ 3 TeV に感度+

Slow Control Board (SCB)+
265本のmoduleで構成 波形サンプリングボード(Dragon)

アナログサムトリガー⽅式
12…
77本のPMTの信号⾜し合わせ

隣接するmoduleでのトリガー信号⾜し合わせ

各PMTに合わせた電圧を印加
光電⼦の出⼒時間が変わるためdelay回路で各PMTの信号時間を揃える

20 GeVのガンマ線からの微弱なチェレンコフ光もトリガー可能にすべく複数moduleの信号を1つに2Photo mul,pliertube (PMT)
Transit Time (T.T.)…光電⼦が叩き出されてから陽極で出⼒までにかかる時間
光⼦⼊射位置と印加電圧に依存

Transit Time Spread (T.T.S.)…T.T.の時間のばらつき
浜松ホトニクス株式会社

編集委員会(1998)…出⼒信号の時間幅(FWHM)

PMT型番 R12992-100① 49.6 mm

集光器 Light Guide①②② 29.9 mm

パルス幅③③ 39.6 mm…集光及びPMT間の隙間を埋めるため⼊り⼝は①のサイズ
主鏡からの反射光以外の光をPMTの外に反射する構造をとると出⼝は②のサイズ

Light Guide 装着により光電⾯の中⼼付近に集光されるためT.T.分布が変化しT.T.S.やパルス幅が⼩さくなると期待される

3

研究⽬的
・チェレンコフ光は約3.0 nsほどの時間スケールのため
アナログサムトリガー⽅式においてナノ秒オーダーの信号⾜し合わせが必要→T.T.S.の値及び印加電圧依存性や、PMTごとの個体差を知らなければならない
・PMT単体でのパルス幅の測定は⾏われているがLight Guide装着による測定は未測定→実際の運⽤環境に近いLight Guide付きでのパルス幅を算出

これらの項⽬について、Light Guide装着の有無によるパルス幅及びT.T.S.への影響を本研究にて測定する
4

測定系及びパルス幅算出
Light Guidereference PMT

データ取得
・パルサーとDRS4 evalua;on board(1)のタイミングを同期し、出⼒波形を0.2 ns 刻みでサンプリングを⾏う
・⼤光量イベント(mul; p.e.)

pulser・低光量イベント(1 p.e.)Light Guide付きPMT
FWHM 80 ps の超⾼速パルサー

・5つの印加電圧
1400 , 1300 , 1200 , 1150 , 1100 V(1) hBps://www.psi.ch/en/drs/evalua2on-board

A 100-ps Pulse Laser as a Calibra2on Source ,IEEE (Yusuke Inome (2019))

Graph
ガウス関数でﬁtGraphPMT出⼒波形(mulLp.e.)

700

波形を1発ずつﬁt

600
500
400300パルス幅(FWHM)

200
1000- 100

Fit情報からガウス関数の𝜎 (標準偏差)が得られる

8006062646668

time [ns]7072pulse height [mV]

pulse height [mV]

800

700
600
500400300

パルス幅= 2 2𝑙𝑛2𝜎を算出できる

2001000- 1006062646668

Lme [ns]

7072

5T.T.S.算出

1 p.e. パルス幅の測定
平均~1 p.e.程度の低光量ではPMT出⼒電荷は離散的になり、ポアソン分布に従い、0 , 1 , 2 … p.e.
イベントが観測される
0 p.e.イベント
1 p.e.
~イベント
wform1-wform0:timewform1-wform0:timeのは測定系のジッターなどがあり困難
mulL p.e.のパルス幅に1 p.e. のT.T.S.
30

pulse height [mV]が反映されることを利⽤し算出する

pulse height [mV]

T.T.のばらつきであるT.T.S.を直接測定する

2520

求めたい

15++++𝜎&'()*= 𝜎,-./.
+ 𝜎0.0.1.
+ 𝜎-'(2/31050-5

⼤光量パルスによる測定(前⾴)

既知
低光量パルスによる測定

pulse height [mV]

Graph
800
700
600
500
400
300
200
1000- 1006062646668

Lme [ns]

70-10020406080

100302520151050-50 p.e.分布
time [ns]120140160 180-102000

20406080100120140160 180200

Lme [ns]

・パルス電荷量・ピークタイムの2つの情報から1 p.e.イベントをノイズのみのイベントから弁別→ガウス関数によるﬁtから𝜎! ".$. の決定が可能

726

結果 …10本のPMTについて5回測定を⾏った
パルス幅及びT.T.S.について各印加電圧において10本分の平均値を算出 ※エラーバーはPMT10本のばらつき
Graph
パルス幅(FWHM)
vs HV

2.60.8With Light Guide
Without Light Guide
1 p.e. pulse width

標準偏差 ~0.03 ns
標準偏差 ~0.03 ns

2.4

標準偏差 ~0.04 ns

2.22

With Light Guide

0.75
0.7

T.T.S. [ns]パルス幅(FWHM) [ns]2.8

T.T.S.Graph
vs HVWithout Light Guide

0.65

標準偏差 ~ 0.02 ns

0.60.55
0.50.451.8

0.4
1.61.4

パルス幅 = 2 2𝑙𝑛2𝜎(&'()* +, !".$.)
1100

1150

12001250

1300

1350

voltage [V]

1400

0.35
0.3

標準偏差 ~ 0.02 ns
11001150

12001250

13001350

1400

voltage [V]

パルス幅(FWHM) vs HV・Light Guide 装着により平均10%程度減少

T.T.S. vs HV・平均20%程度減少
・印加電圧に対して負の相関

Light Guide装着によりパルス幅及びT.T.S.が⼩さくなった
T.T.S.の印加電圧依存性を⾒積もることができた
7

LST 2-4 カメラ製作現状
LST 2-4 号機⽤のカメラモジュールを約1000個組⽴て・性能評価を⾏う

組⽴て性能評価

・ほぼ完了
・残り5モジュールの組⽴て評価項⽬

保管・ホコリなどを防ぐためラッピングして保管
組⽴て・1 p.e. 測定・mulL p.e. 測定
・HV-Gain curve・パルス幅測定
・Lineality
・アフターパルス
性能評価

測定したモジュール数は657モジュール
基準を満たしているのは589モジュール
残りについては今年度実施予定
保管8

まとめPMT測定・LST焦点⾯検出器に⽤いられるPMTをLight Guideをつけて測定を⾏った・Light Guide 装着により、各印加電圧でパルス幅は1.93 ~ 2.24 ns、T.T.S.は0.37 ~ 0.57 ns になることがわかった

LST2-4号機⽤カメラ製作
・約1000個のモジュールについて組⽴て及び性能評価を⾏った・組⽴てについては残り5モジュール
・性能評価は657モジュールについて⾏った
基準を満たしているものは589モジュール
・残ったモジュールについての組⽴て性能評価、デバックは今年度実施予定
9