CTA報告197:CTA大・中口径望遠鏡のカメラのSiPM化に向けた、集光器を用いた夜光低減手法の検討（２）
芳賀純也A,奥村曉A,B,田島宏康A,折戸玲子C,片桐秀明D,櫛田淳子E,窪秀利F,郡司修司G,齋藤隆之H,櫻井駿介H,佐々木寅旭I,砂田裕志I,高橋光成H,立石大I,田中真伸J,手嶋政廣H,K,寺内健太F,寺田幸功I,中森健之G,西嶋恭司E,野上優人D,
野崎誠也F,野田浩司H,Daniela HadaschH,Daniel MazinH,k,山本常夏L,吉田龍生D,他CTA-Japan Consortium

Cherenkov Telescope Array(CTA)計画
20 GeV

2/11

3 TeV
The CTA Consortium(2019)

大中小の異なる口径の大気チェレンコフ望遠鏡を南・北半球の二箇所に合計１００台近く配置して現行の望遠鏡に比べ・10倍の感度向上

10倍・20 GeV - 300 TeVの広いエネルギー領域の観測を実現する。

大口径望遠鏡(LST)

中口径望遠鏡(MST)

小口径望遠鏡(SST)

写真提供：Gabriel Pérez Diaz, IAC / Marc-André Besel, C

50 mm0.1 deg

mable

100

300

400

500

600

800

1000
1.2

Dark NSB

180

Direct Moonlight70

PDE of PMT

60

900

Cherenkov light

チェレンコフ光

90

700

3/11

Photon flux [a.u.]mera over光検出器のSiPM化
the

光検出効率PDE[%][%]era must:

将来的なSiPMの採用の利点と課題

0.8

PDE of SiPM

SiPM

500.6

月光

40

PMT+集光器

30

SiPM+集光器

0.4

PMT

LST PMT camera(0.1°)
LST S
PMT camera (0.1°)
LST
SiPM camera (0.05°)
20

夜光0.2

800

0900
1000
wavelength[nm]100.1° to 0.05°
SiPMの利点
550 nmout
・PMTに比べ高い光検出効率→チェレンコフ光の検出量が約1.5倍増加
0300

400

500

600

700

・受光量に起因する劣化が起きないため、月光下での観測が可能→観測時間の拡大
・多画素化が可能→ハドロン弁別性能の向上

高画素化

SiPMの課題
・PMTに比べ、長波長の夜光への感度が高い → 夜光検出量が増加→チェレンコフ光の夜光に対するSN比の悪化 → エネルギー推定精度やトリガー性能の悪化→ SiPMの高い光検出効率を保ちつつ、夜光検出量を低減するような550 nmにカットオフを持つバンドパスフィルターが必要

波長(nm)

uniformity among the six diagonals as a function of the distance to the center was measured to be
焦点面カメラ窓を用いた夜光低減の先行研究
4/11
lower than 2%. Therefore,
the average radial profile was used to generate the window transmittancemap. From this map, the relative per-pixel correction was derived and is shown in figure 11 (right).
These corrections can be used to derive the per-pixel [SiPM ⇥ [cones value from a measurement with
焦点面カメラ(SiPM使用)の窓に長波長を反射する多層膜を蒸着する手法
uniform
illumination or using muon ring images on-site (as described in [23]).

窓の透過率88 cm

Alispach et al.(2020)

Alispach et al.(2020)

Figure 11. Left: The SST-1M camera equipped with its filtering window on the telescope structure in
FigureLeft:
Transmittanceofcutsthe off
filtering
window
Krakow.
The yellowish color of the reflected image
is due10.
to thewindow
coating, whichlight beyond
利点と欠点
540
nm, which is then reflected out of the camera.
The filter
optimized
for transmission
the blue.
It a(orange),
the iscollection
efficiencyof the incones(green)◯：カットオフ波長の調整が可能
焦点面カメラの窓以外に
also
reduces Fresnel losses with an anti-reflective
Right: Relative
efficiency
ofthetransmission
fordevices
thethelayer.
wavelength.
Right:
Spectraofcalibration❌：LSTでの使用に向けた窓の巨大化は技術的に困難フィルターの役割を追加
Cherenkov light spectrum from 300 nm to 550 nm
per camera
with reference
respect to Cherenkov
the average lightvalue spectrum
overULS3648)
andpixel
the CTAall(LSTカメラ直径：2.2m)
pixels.

集光器

集光器

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集光器の役割
1. 焦点面での不感領域を減らす。

2.主鏡以外からの入射光を低減

PMT

焦点面への入射角度
分布θ ≈ 0˚ - 25˚number of photons

number of incident photons from theta=1.5(averaged by phi)

主鏡以外からの

4000
3500

主鏡からの反射光

入射光

3000
2500
2000
1500

集光器の集光効率の1000

入射角度依存性

50000510

画像提供：奥村曉

3. バンドパスフィルター (NEW)長波長の光(赤色)を落とすフィルターを追加画像提供：奥村曉

15202530
3540
incident angle(deg)

焦点面への(集光器への)入射角度(deg)夜光低減のための多層膜設計

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Reflectace[%]
反射率[%]

夜光低減のためには550 nmでのカットオフ
従来品

多層膜への入射角度=65˚の反射率

短波長

長波長

反射反射100

従来品

80Al
基板
60

8層多層膜

短波長

長波長

40

反射
65層の多層膜

20Al基板

8層多層膜、8層集光器
0300

400

500

600

700

800

900

1000
1100
wavelenghth[nm]波長(nm)

550 nm・数十層の多層膜で550 nm程度にカットオフを持つ反射率を原理的には実現可能
問題点：総膜厚大→基板の変形、製作費用増大→総膜厚を抑えた多層膜が必要
・名大と東海光学により長波長の光を吸収する計8層の多層膜が開発された
アルミ(Al)層を2層持つ、(8層多層膜、8層集光器と呼ぶ)

吸収!!

集光器の集光効率の実測による評価

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・相対的な光検出効率をシミュレーションと実測で比較した。
集光器

・ 入射角度ごとに較正用PMTに対しての相対的な検出光量を比較。
回転ステージ

402 nm

SiPM+従来品

SiPM+8層集光器

SiPM化向上

相対的な光検出効率

相対的な光検出効率

較正用PMT

1.2

830 nm

SiPM+従来品

10.8~3割減に成功
0.6

PMT+従来品
0.4・測定

SiPM+8層集光器

・測定0.2ー sim

ー sim

00

集光器への入射角度(deg)51015202530354045

集光器への入射角度(deg)・両者の差異が最大で15%ポイント程度、この差は系統誤差として結論に影響しないことを確認。
→シミュレーション結果を用いてこれ以降議論する。

有効検出面積を用いた評価

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より定量的な評価のためにモンテカルロシミュレーションからガンマ線に対する有効検出面積を算出し、集光器への多層膜蒸着による手法が有効であるかを検証する。

シミュレーションの流れ
1.空気シャワー

2.装置応答CORSIKA

sim_telarray

3.2 CTA 計画概要
3.トリガー判定(a) 4.有効検出面積の算出

・イメージクリーニングなし
・トリガー判定のみ

隣接の３モジュールの波高値の合計値をトリガー閾値によって判定。
夜光と宇宙線のトリガー頻度によって変化effective area [m 2 ]SiPM化と多層膜蒸着した集光器の有効性
106

105

PMTCone)PMT (conventinal+ 従来品
SiPM(conventianlCone)
SiPM +従来品
SiPM+(88層集光器layer Cone)
SiPM
Relative Effective area

104
−2−1

1.610
1.5
1.4
1.3
1.2
1.1
10.9 −210110

8層集光器を使用することで改善

10−11020 GeV

110Gamma-ray Energy [TeV]・SiPM+従来品(赤線)は、PMT+従来品(黒線)に比べ、有効検出面積が悪化することがわかった。
・SiPM+8層集光器(青線)はPMT+従来品(黒線)に比べ、有効検出面積が改善することがわかった。
→

多層膜蒸着した集光器による夜光低減手法はSiPM化に向け有効であることが示された。

9/11

多画素化による有効検出面積への影響

10/11

変更点
・画素サイズ→約4分の1
effective area [m 2 ]・49画素(変更前の面積換算で12.25画素に相当)でトリガー判定
106

PMT + 従来品、 1855画素
SiPM + 従来品、 1855画素
多画素化
SiPM + 従来品、 7987画素
SiPM + 8層集光器、1855画素
多画素化
SiPM + 8層集光器、 7987画素

PMT (conventinal Cone)105

SiPM (conventianl Cone)
SiPM (8 layer Cone)SiPM (7987 pixels, high view angle Cone)

SiPM (Al 15 nm Cone, 7987(measurement) pixels, high view angle Cone)

Relative Effective area

104

1.710−2
1.6
1.5
1.4
1.3
1.2
1.1
1
0.9 −210−110110

両者の場合で、多画素化することで改善

20 GeV

10−1

110

Gamma-ray Energy [TeV]

・多画素化することで、有効検出面積が改善することがわかった。
→多画素化に伴い、LSTの結像性能を活かしきることができ、信号光が多く入射する画素でSN比が向上。
→トリガー判定に使用する画素数も面積比で変更前に比べ小さくなっているため、トリガー判定としてもSN比が向上。

まとめと今後の展望
目的
LSTの光検出器のSiPMの採用に対し、集光器への多層膜蒸着による夜光低減手法が有効であるかを検証した。

結果
・実測によって、多層膜蒸着した集光器の性能を評価した。その結果SiPMの高い光検出効率を保ち、長波長の集光効率を低減することがわかった。
・ガンマ線の有効検出面積の比較を行い、闇夜観測において多層膜蒸着した集光器はSiPM化に対して、有効な夜光低減手法であることが明らかになった。

今後の展望
・多層膜蒸着した集光器を使用した望遠鏡のガンマ線の検出感度を算出する。
・蒸着条件や手法の改善による、短波長側（300 ~ 550 nm）の反射率の改善。

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