CTA 報告150：

CTA大口径望遠鏡初号機の焦点面カメラ試運転試験
野崎誠也, 稲田知大A, 猪目祐介A, 岩村由樹A, 大岡秀行A, 岡崎奈緒A, 岡知彦, 奥村曉B,

折戸玲子C, 梶原侑貴, 片桐秀明D, 櫛田淳子E, 木村颯一朗E, 窪秀利, 郡司修一F , 小山志勇G,齋藤隆之A, 櫻井駿介A, 澤田真理A, 鈴木萌D, 砂田裕志H, 高橋光成A, 高原大I , 田中真伸J ,田村謙治I , 町支勇貴I , 辻本晋平K, 手嶋政廣A,L, 寺田幸功H, 門叶冬樹F , 中森健之F ,永吉勤H, 西嶋恭司E, 西山楽H, 野田浩司A, 林田将明I , 馬場彩M, 平子丈, 深見哲志A,
古田智也E, 増田周, 山本常夏I , 吉田龍生D,Daniela HadaschA,Daniel MazinA,他CTA-Japan consortium, 池野正弘J,N , 内田智久J,N京大理, 東大宇宙線研A, 名大ISEEB, 徳島大理工C, 茨城大理D, 東海大理E,山形大理F,ISAS/JAXAG, 埼玉大理工H, 甲南大理工I,KEK 素核研J ,東海大総合理工K, マックスプランク物理L, 東大理M, Open-ItN

CTA 大口径望遠鏡初号機 焦点面カメラ
光検出器モジュール

大口径望遠鏡低エネルギー閾値を達成するために開発
焦点距離
28m
23m

ライトガイド300-500nmで反射率>90%

低エネルギー閾値（20GeV）
焦点面カメラ
信号波形サンプリング回路
PMTユニット
平均QE>40%

2.8 m

PMT 1855本
視野4.5°

アナログメモリチップDRS4内のキャパシタ4096個に1GHz波形サンプリング（メモリ深さ4us）

裏面：トリガー生成回路基板
後方：バックプレーンボード（電源・トリガー・クロック分配）

1

大口径望遠鏡初号機へのカメラインストール

2018年8月に光検出器モジュールをカメラ筐体にインストール（前回物理学会 砂田講演）2018年9月にカメラを望遠鏡にインストール

大口径望遠鏡
初号機

焦点面カメラを望遠鏡に取り付けた状態で試運転試験をおこなっている

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ファーストライト（2018年12月14日）
PMTに高圧を印可した状態で天頂角 30°に望遠鏡を傾けて観測し大気シャワーを初めて検出

トリガーレート（対数）あるモジュールでのトリガーレート

電荷マップ

夜光成分

シャワー成分

トリガースレッショルド

多数のシャワーイメージを取得することができカメラとして機能していることを証明できた

LST Collaboration3

ペデスタル電圧 と パルスタイミング
しかし、ファーストライト時点では、カメラ較正が不十分だった
あるイベントの生波形②①ペデスタル電圧補正

ADC

特に低光量の信号を切り分けられるように補正が必要②パルスタイミング較正

①

カメラ上でのチェレンコフ光信号の時間遷移（time gradient）がモノ解析で重要なパラメータ
時間 [ns]① ペデスタル電圧補正解析② パルスタイミング較正試験の現状について報告する

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① ペデスタル電圧補正あるピクセルでのペデスタルデータの電圧分布

アナログメモリDRS4
1ns

標準偏差

１GHz
サンプリング・・・

1ピクセル(PMT1本)あたりキャパシタ × 4096個

29.9 ADC(補正前)→ 8.8 ADC(補正後)各キャパシタでのオフセット電圧を差し引く-1000100200300400ADC

対数
テールをもったペデスタル電圧分布→DRS4の特性であり、補正可能（前前回の物理学会で報告）[高ゲイン系統]
1光電子=~30ADC
=7.2mV

カメラデータ解析ソフトにこの補正機能を追加し問題なく機能するかを確認した-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

ADC

5dt = 各キャパシタでの読み出し時間間隔
キャパシタ × 4096個

電圧
[ADC]

① ペデスタル電圧補正 [残留電荷特性]

・・・

Event
番号

dtが小さいと電圧値が高くなる
1光電子レベル400dt

対数-4010us

1ms

100ms

log10(dt)あるピクセルでのペデスタルデータの電圧分布- オフセット補正のみ
8.8 ADC (0.29光電子レベル)- オフセット補正＋残留電荷補正
6.6 ADC (0.22光電子レベル)
スパイク成分
-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

ADC6

① ペデスタル電圧補正 [スパイク特性]
電圧値 [ADC]

50

スパイク状の偽信号

条件を満たすと必ず発生する
1光電子レベル

キャパシタ × 4096個
Event
番号・・・

0
時間
40 [ns]0

一つ前のイベントで最後に読みだしたキャパシタでスパイク発生あるピクセルでのペデスタルデータの電圧分布- オフセット補正+残留電荷補正
6.6 ADC (0.22光電子レベル)- オフセット補正＋残留電荷補正+スパイク補正
6.4 ADC (0.21光電子レベル)

ADC-60 -40 -20

0204060

実際のカメラデータにペデスタル補正を適用できた
現在、オンラインでペデスタル補正できるようにDAQソフトに組み込み中
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② パルスのタイミング較正レーザーを入射した
全ピクセルでのパルスタイミング分布

較正用レーザー較正用レーザーボックス
焦点面カメラ20ns

credit : M. Iori-

波長 355nm
パルス幅 2ns
レーザー安定性 1% (6時間)
フラットフィールド 一様性 <2%-10-50510時間 [ns]
※平均が0ns

パルスのタイミングずれの要因(i) PMT内の電子走行時間のHV依存性(ii) アナログメモリDRS４の波形サンプリング時間間隔のずれ(iii) トリガー分配タイミングのずれ

8パルスのタイミングずれの要因(i) PMT内の電子走行時間のHV依存性(ii) アナログメモリDRS４の波形サンプリング時間間隔のずれ

ゲイン4万倍になるようにピクセルごとにHVを印可（950-1150V）

全キャパシタでのサンプリング時間の分布

PMTでの電子走行時間の高圧依存性
950V

1150V

1GHzサンプリング=1ns
実際は20%のずれがある

2ns
T. Luis+13

印可高圧に応じてトリガー回路上及び解析時にピクセルごとに補正可能

01
時間 [ns]2

較正試験で得たテーブルをもとに解析時に補正可能

これらによるずれは数ns程度→(iii) トリガー分配タイミングのずれによる影響が一番大きい

9焦点面カメラ トリガーシステム
あるモジュール

PMT

信号波形サンプリング回路
アナログメモリ
1GHz波形サンプリング
メモリ深さ 4us
トリガー生成回路
各モジュールでトリガー生成

カメラ中央モジュール

バックプレーンボード
トリガー分配
ディレイ

ディレイ

トリガー
インターフェースボード① モジュールで生成されたトリガーをカメラ中央モジュールに送信②カメラ中央モジュールから各モジュールにトリガーを分配し、データを取得
トリガーを同じタイミングで各モジュールに分配できるようにハードウェア上でディレイをかけることができる（要求値はタイミング1ns以内）

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トリガー分配タイミングのキャリブレーション 【方法】
レーザー光をカメラに一様に照射

時刻C

時刻A
ディレイ
調整
各モジュールでのトリガー

カメラ中央
モジュール

時刻A

ディレイ
調整

①カメラ中央モジュール
へ送信

時刻B

②各モジュールへ分配

それぞれの時刻をTDCで測定

各モジュール → カメラ中央モジュール

各モジュール → カメラ中央モジュール→各モジュール

時刻Bー時刻A @ カメラ中央モジュール

時刻Cー時刻A ＠ 各モジュール

120.0 ± 0.5 nsにおさまるように各モジュールでディレイを調整

230.0 ± 0.5 ns になるように各モジュールでディレイを調整
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トリガー分配タイミングのキャリブレーション 【結果】時刻B – 時刻A @ カメラ中央モジュール（カメラ中央モジュールまでのトリガー伝達時間）レーザーを入射した全ピクセルでの較正前後のパルスのタイミング分布

標準偏差
較正前 3.3ns
較正後 0.95ns

1モジュールのみ
範囲外
119.5

120
時間[ns]

120.55ns

2モジュールのみ
範囲外

時間[ns]

多くのモジュールでタイミングを5nsの範囲でそろえることができた(i)PMT内の電子走行時間のHV依存性(ii)アナログメモリDRS4の波形サンプリング時間間隔のずれも現在補正中12

まとめと今後• 2018年9月に焦点面カメラが大口径望遠鏡に取り付けられた• 2018年12月にはファーストライトに成功し、カメラとして機能していることを確認できた• その後、現在もペデスタル補正やタイミング補正のための解析ソフト開発・較正試験を行っている• [ペデスタル補正] アナログメモリDRS４の様々な特性をふまえて、ペデスタルを補正する解析ソフトが用意できた• [タイミング較正] トリガー分配タイミングのディレイ較正を行うことで、パルスタイミングを5nsの範囲にそろえることができた
今後• [ペデスタル補正] オンラインでペデスタル補正を行えるよう、DAQソフトに組み込む• [タイミング較正] 波形サンプリング時間間隔の較正など、解析でも較正を行う

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