cherenkov
telescopearraythe observatory forground-based
gamma-ray astronomy

CTA報告144：CTA 小口径望遠鏡用焦点面カメラの統合試験中村 裕樹、奥村 曉、片桐 秀明A、佐々井 義矩、Anatolii Zenin、Justus ZornB、
田島 宏康、Jim HintonB、Richard WhiteB、三浦 智佳A、他 CTA Consortium
名大ISEE、茨城大理A、マックス・プランク核物理B
日本物理学会、信州大学、2018/09/16

chtearCherenkov Telescope Array（CTA）
大口径望遠鏡（LST）

中口径望遠鏡（MST）

直径：23 mエネルギー：20 GeV - 3 TeV
台数：4（北） + 4（南）直径：12 m or 9.6 m
エネルギー：80 GeV - 50 TeV
台数： 15（北） + 25（南）小口径望遠鏡（SST）
直径：~ 4 m
エネルギー：1 - 300 TeV
台数：70（南）LST

MST

小口径望遠鏡

!2

chte
ar

小口径望遠鏡≫ 3 種類の望遠鏡が提案され、それぞれの試作望遠鏡でチェレンコフ光の観測を成功させた≫ 小口径望遠鏡デザインの最終決定に向けて進めている

Schwarzschild–Couder（副鏡あり）

Davies–Cotton

MAPMT カメラ
〜30 cmカメラ 副鏡

主鏡

副鏡

主鏡

カメラ
主鏡

カメラ

!3

chtear

半導体光電子増倍素子（SiPM）≫ MAPMT を用いたカメラでのチェレンコフ光の観測を成功させた（J. Zorn et al. 2018）≫ カメラのアップグレードに向けて光検出器を半導体光電子増倍素子（SiPM）に置き換えた≫ 高い光検出効率：40% 以上≫ 低い動作電圧：〜50 V≫ 夜光の多い状況でも観測可能

mm
3≫ オプティカルクロストークの発生≫ 単一光電子を増幅し、複数光電子として検出してしまう現象≫ トリガー閾値を下げられない≫ 電荷分解能を悪化させる≫ ゲインの温度依存性≫ ダイナミックレンジ、トリガー閾値を変化させる≫ 温度をモニターし、補正することが必要

50 µm のAPD
3 p.e.

SiPM の出力波形（オシロスコープ）

2 p.e.
1 p.e.

!4chtear焦点面カメラの統合試験≫ SiPM に置き換えた焦点面カメラを組み上げ統合試験を進めている≫ ゲインの調整≫ 波高積分値分布の作成と SiPM の特性評価≫ 波高積分値と検出光電子数の関係の決定≫ 電荷分解能

SiPM
2048画素≫ トリガー性能≫ 温度依存性≫ モニタリング≫ 温度• SiPM• カメラモジュール• バックプレーンボード≫ トリガーレート〜 30 cm≫ 望遠鏡に搭載しての試験観測を予定している!5chtear

CHEC-S Commissioning

焦点面カメラの統合試験：ダイナミックレンジの調整

Calibration:
FlatFielding≫ ダイナミックレンジを揃えるために各画素のゲイン» Uniform illumination at ~50 pe, HVadjusted
toの波高値をmatch pulseheights≫ 50 p.e. 相当の光を照射し1 p.e.
4 mVに設定したPixel spread ~5% RMS（50 p.e. = 200 »mV）
» Super pixel spread ~2% RMS≫ 〜500 p.e. まで飽和せず測定可能≫ ノイズ 〜1.3 mV» より十分大きい
Limited byを一致させた» 1 HV per super≫ ~5% のばらつきで揃えられる（0.2mVpixel/ 1 p.e.）» 8 bit DAC resolution≫ 1 p.e. でのばらつきは 0.2 mV で全ての画素でノイズより出力波形

200150100
500-200

十分大きく 1 p.e. を検出できる

450300220

印加電圧調整後200

σ = 5%180

平均 : 209 mV
標準偏差 : 10 mV

150160140Amplitude（mV）

240µ=59 mV, σ=66 mVµ=209 mV, σ=10 mV

120

0100

200
300
Amplitude（mV）

400100!6

» Single PE spectra resolvable on allpixels at nominal operating gainchtearSingle pixel

焦点面カメラの統合試験：ゲイン測定
à Gain, OCT, relative illumination level» Gain spread ~10%

≫ チェレンコフ光は数十 ns 程度の幅を持つため、波高の積分値から» Good match to FF
検出光電子数を決定する

OCT ~45% 1 p.e. ごとのピークが見えている≫ »波高積分値の分布に

Temperature ~25 oC» Very high≫ ゲインに比例する1光電子の波高積分値から推定したAll pixels(clearest 95%)

Drastic60%
improvementwith latest SiPMs≫ 1 p.e. »の分解能は以下（4 mV / p.e.）»≫ PDE
spread ~3% 200%以下（ポアソン統計のばらつきを含む）
1 p.e. の分解能への要求は≫ オプティカルクロストークレート〜55% 以下で要求を満たす
波高積分値の分布（1 画素）

Gain

1 p.e. の波高積分値の分布

600

OCT0 ~45%!!
p.e.
500 RMS ~7%

120
100

1 p.e.

400

1 p.e. の電荷分解能の分布
140

Gain~10%σRMS= 10%120
10080300

2 p.e.
3 p.e.

200
1000−50050100150200

波高積分値（mV × ns）

Mean illumination
level
RMS ~3%806060404020200001020304050607080

1 p.e. の波高積分値（mV × ns）

00.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1 p.e. の電荷分解能（σ1 p.e./ Gain1 p.e. ）!7pixels at nominal operatingchtear
焦点面カメラの統合試験：オプティカルクロストークレート
à Gain, OCT, relative illuminat» Gain spread ~10%

≫ 検出光電子数を正しく推定するためにはオプティカルクロストークによる検出光電子数の増» Good match to FF加に対する補正が必要» OCT ~45%

≫ 0 p.e. の事象数から予測されるポアソン分布とのずれから決定した» Very high
≫ 全画素の発生確率を測定できた ← 検出光電子数の補正ができる» Drastic improvement with
≫ 最新の SiPM では 10% 以下に抑えられる（超過電圧 〜3 V）» PDE spread ~3%700

ポアソン分布600

オプティカルクロストーク
500

400

OCT ~45%!!
µ 45%
RMS~7%

400

σ 7%

300

300

200

200500

実測値

1000Gain
RMS ~10%100−50050100150

波高積分値（mV × ns）

200

000.2

0.4

0.6

0.8

1.0

オプティカルクロストークレート!8chtear

焦点面カメラの温度特性≫ SiPM の降伏電圧は温度依存性を持つ≫ 温度によってゲイン、ダークカウント、光検出効率が変化する≫ 温度の変化に応じて印加電圧の調整が必要である≫ 焦点面カメラは 400–500 W の熱が発生するため、水冷でカメラを冷却している≫ 室温での測定ではSiPM の温度を最大 1 ˚C 程度の変化で制御可能（温度変化 〜5 ˚C）

冷却水の経路

18.0

IN

17.5

SiPM の温度（˚C）

OUT

17.0

1 ˚C

16.5
16.0

12 h15.5
15.00100

200

300

400500

600

700

時間（分）
!9chtear

ゲインの温度依存性の測定
3028

変化させることでゲインの温度依存性を測定した

26≫ 全画素の印加電圧に対するゲインを測定した

Gain（mV × ns）≫ 冷却水の温度を変化させ意図的にカメラの温度をPixel 36
Pixel 37
Pixel 38
Pixel 39

24
2220
1816

≫ 観測中のトリガー閾値を安定にするために印加電圧を調整する

1467.067.2

67.4

67.6

67.8

67.6

67.8

印加電圧（V）≫ 印加電圧は 4 画素ごとに設定するため、304 画素の平均を代表値とした≫ フィット直線からのずれは 3% 程度であり 1 p.e. の波高値に対して十分小さい≫ 傾きの変化は ASIC の温度依存性が含まれている≫ SiPM の温度から最適な印加電圧を計算する

Gain（mV × ns）

28262412.3 ˚C22201816.4 ˚C

161467.0

20.9 ˚C
67.267.4印加電圧（V）!10

chtear

温度補償によるゲインの安定性の検証≫ 冷却水を用いて SiPM の温度を変化させてゲインの安定性を検証した

焦点面カメラ内での≫ SiPM の温度から印加電圧を決定した

SiPM の温度勾配~6 ˚C

SiPM≫ 実際の観測時はカメラの温度が 15–25 ˚C で使用することを想定している
水温≫ ゲインの平均値の変化≫ 印加電圧補正時：〜8% （補正なし：〜20%）≫ 閾値の設定に対して十分小さな変化
30350
28300
250

12 ˚C200µ : 23.5
σ：2.3150

Gain（mV × ns）

4 ˚Cµ : 26.0
σ：1.9100

26242220500

補正時 ~8%0102030Gain（mV × ns）

40501846810水温（˚C）

12

補正なし~20%
14!11

chtear

温度補償時の波高値の確認≫ 50 p.e. 相当照射時の波高値を確認した≫ 簡単のため波高積分値で温度依存性を測定したが、波高値が揃っていなかった≫ トリガーを安定にするという観点から波高値を揃えないといけない≫ ASIC の温度依存性が記録電圧値によって異なる≫ 波高値の分布からゲインを測定し補正値を決定する≫ ASIC 単体で温度依存性を測定する≫ 印加電圧は SiPM の超過電圧の調整のみ行う
50 p.e. 相当照射時の波高値

波形の FWHM の温度依存性
9.0

40

波形の形状に温度依存性がある
8.8FWHM（ns）

30208.68.4

108.2
0050100

150200250

Amplitude（mV）

300

350

400

1214161820SiPM の温度!12chtearまとめ≫ SiPM を光検出器に置き換えた焦点面カメラの統合試験を進めている≫ 50 p.e. 相当照射時の波高値を用いてゲインを揃えた≫ 〜5% のばらつきで調整できる ← 全画素でノイズより十分大きく 1 p.e. を識別できる≫ 光量の非一様性を考慮する≫ 波高積分値分布を作成し SiPM の特性を評価した≫ 温度特性≫ 印加電圧の調整によってゲインの変化を 8% に抑えることができた≫ 波高値の分布から温度依存性を測定する≫ ASIC 単体での温度依存性を測定し補正する≫ SiPM の降伏電圧の変化のみ印加電圧を補正する≫ 望遠鏡に搭載しての試験観測を予定している≫ ガンマ線由来のチェレンコフ光を観測する≫ μ粒子から生じるチェレンコフ光を用いたエネルギー較正を実施する≫ 複数の夜光条件で観測し、エネルギー分解能・トリガーへの影響を調査する!13