CTA 報告 90: CTA 大口径望遠鏡初号機用PMT 信号の高精度測定高橋光成 A, 猪目祐介 B, 梅津陽平 C, 大岡秀行 A, 荻野桃子 A, 折戸玲子 D, 片桐秀明 E, 櫛田淳子 C, 窪秀利 F, 郡司修一 G, 小山志勇 H, 澤田真理 I, 辻本晋平 C, 坪根善雄 I,手嶋政廣 A,J, 寺田幸功 H, 友野弥生 C, 中嶋大輔 A, 永吉勤 H, 西嶋恭司 C, 花畑義隆 A, 林田将明 A, 馬場彩 I, 松岡俊介 H, 山本常夏 B, 他 CTA-Japan Consortium
東大宇宙線研 A, 甲南大理工 B, 東海大理 C, 徳島大総科 D, 茨城大理 E, 京大理 F, 山形大理 G, 埼玉大理 H, 青山大理工 I, Max-Planck-Inst.fuer Phys.J

3/24/15Introduction

3/24/15

Cherenkov Telescope Array
大口径望遠鏡 (LST)
要求エネルギー閾値: < 20GeV
エネルギー分解能: < 40% @ 30GeV

高感度・高光量
分解能の光検出器

大口径(23M)の反射鏡

CTA Report 86 (H. Kubo)

南北に４基ずつ建設
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大口径望遠鏡
焦点面カメラCTA Report 89 (T. Nagayoshi)

焦点面カメラ
光電子増倍管1855本

光電子増倍管(PMT) R11920
大口径望遠鏡(LST)(株) 浜松ホトニクス
量子効率ピーク値: 平均41%

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PMTの高精度測定
目的• より低いエネルギー閾値• より高いエネルギー分解能

カメラ内の各PMT配置を最適化

各PMTに入射した

モンテカルロシミュレー

光電子数決定精度向上

ションの精度向上

PMTの高精度測定
3/24/15ゲイン= (Signal at the output) / (Signal at the input)••••

Log(ゲイン)測定項目

出力電荷量 / ゲイン / 素電荷 = 入射光電子数
印加電圧 850 - 1000 V で測定
観測時はゲインが 4x104となるように印加電圧を調整
外部要因や経年により変化するため観測時に較正F ファクター (Excess noise factor)

4E4

動作電圧

印加電圧

頻度

頻度

= (N/S at the output) / (N/S at the input)
観測時のゲイン較正に有用
主に第１段ダイノードでの放出電子数で決まる
ほとんど変化しない

入力光電子数

出力電荷量

💡•
•
•

3/24/15観測時のPMTゲイン較正❖ レーザーなどを一定光量でカメラに照射式１
入射光電子数の平均
式２x

素電荷

PMTx ゲイン x

絶対値は不明=求める量

入射光電子数の平均

出力電荷の平均

測定量

出力電荷の標準偏差xF=

出力電荷の平均入射光電子数の平均

ポアソン分布を仮定

アンプ
ゲイン

予め測定
3/24/15

測定方法

3/24/15

アイディア❖ レーザーなどを一定光量でPMTに照射
式１
入射光電子数の平均
式２xPMTx ゲイン x

素電荷

何らかの方法で定める出力電荷の平均

測定量
出力電荷の標準偏差x

ポアソン分布を仮定=

求める量

入射光電子数の平均
入射光電子数の平均

アンプ
ゲイン

F

=

出力電荷の平均

3/24/15低強度の光による測定

Single photoelectron 測定❖
光が粒子であることを❖

出力電荷分布 @1500V

光の強度が十分弱いと利用する
出力電荷分布に 0光電子, 1光電子, 2光電子, …

❖ 光量を極めて小さくしのピーク

0 p.e.
1 p.e.ていくと、PMTの出力電荷のヒストグラムにp.e. のピークが見え❖ 1
入射光電子数と出力電荷量の関係てくる
3/24/15低強度の光による測定

出力電荷分布に 0光電子, 1光電子, 2光電子, …のピーク

Log(Number of events)❖ 光の強度が十分弱いと入射光電子数分布

ポアソン
分布

❖ 入射光電子数と出力電荷量の関係

0123
Number of photoelectron

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ガウス関数によるフィッティング
Gaussian fitting❖ 単純には、1光電子 のピークをガウス関数でフィッティング❖ 標準偏差からは F-❖ 1光電子だけの分布に対する式をfactor
が得られる
使用
2/m2
• ゲイン❖= F
m2=1+σ/ e / (アンプのゲイン)

σm• F 2 = 1 + σ 2/m 2
しかし……
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問題点: “準弾性散乱成分”

Gaussian関数からのずれ❖ 電荷0付近にガウシアン❖ではない成分が存在
電荷量の小さい所をよく見るとヒストグラム❖ 光電子の一部は第１ダイは Gaussianに従ってノードで準弾性的に衝突いない‣ 二次電子を放出させる
エネルギーをほとんど❖ ダイノードでの後方散与えない

乱で電子がエネルギー‣ の一部を失う現象によこうしたイベントも 1光電子として考慮すべきる

3/24/15ペデスタルを差し引く方法❖ PMTを遮光しての測定によ[events]

り、ペデスタルの分布を作る

Output charge of lighted ZQ3197 @1400V
hLit_aligned

Fit!Measurement410‣ 電気的なノイズのみ

m

310Lighted

Entries

50000

Mean

24.09

RMS

41.26

Underflow

0Overflow

0Integral 6.084e+04

Dark
hDark_aligned❖ 0光電子のピークと高さを合102わせた上で差し引く

σ10

Entries

40000

Mean0.02666

RMS

2.207

Underflow

0Overflow

0Integral

4e+04❖ 残った分布の平均と標準偏差からゲイン、Fファクターを求める

1050100150200250300350Charge [mV ns]

光パルス入射直前 数百ns の電圧値の中央値を原点にとる

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問題点: 複数光電子イベントの混入❖ 2光電子以上の成分も寄与しPedestal-subtracted charge distribution ZQ5328 @1400Vてしまう

hRemnQ
Entries
143
Mean
103.1
RMS
56.75

10− 2

❖ 混入を抑えるために光量を極めて低くする

1 p.e.
10− 32 p.e.
‣ 測定が長時間かかる❖ 排除できないか？

3 p.e.
10− 4050

100150200250300350
Charge [mV ns]

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ポアソン分布を仮定して推定
全体の分布

=

1光電子の分布∗ ポアソン分布

2光電子、３光電子ペデスタルを差し引いた分布がすべて１光電子と仮定すると分布を推定

P(1)
P(1)
P(2)=
P(1)∗P(1)P(3)=P(1)∗P(1)∗P(1)
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ポアソン分布を仮定して推定全体の分布=1光電子の分布∗ ポアソン分布推定した 2光電子、3光電子成分を差し引き、新しい1光電子分布を作る

再び2光電子、３光電子分布を推定

P(1)

収束するまで繰り返す

P(1)
P(2)
P(3)

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問題点: ペデスタルの差し引きは正しいか？

Output amplitude vs. charge of lighted ZQ5328 @1400V
hLit0_original_px

Entries
Mean
RMS

103

102

50000
22.83
40.86

❖ 0光電子成分と重なる部分の分布がどうなっているか不明?
❖ 0光電子成分の真の大き10

さも不明
1− 20020406080100120Charge [mV ns]❖ ペデスタルのスケーリン
グが正当化できない

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問題点: ペデスタルのスケーリング

Output amplitude vs. charge of lighted ZQ5328 @1400V
hLit0_original_px

Entries
MeanRMS?
?
?

103

50000
22.8340.86❖ 0光電子成分と重なる部分の分布がどうなっているか不明

102❖ 0光電子成分の真の大き10

さも不明
1− 20020406080

100120Charge [mV ns]❖ ペデスタルのスケーリン
グが正当化できない

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ポアソンパラメーター𝜆を走査
N は測定した全イベント数❖ 差し引いた分布の面積 :❖ 0光電子分布の面積 :(1-exp(-𝜆))exp(-𝜆)Output amplitude vs. charge of lighted ZQ5328 @1400V
hLit0_original_px

Entries
MeanRMS

103

Pedestal-subtracted charge distribution ZQ5328 @1400V50000
22.8340.86

hRemnQ

1exp(-𝜆)1021-exp(-𝜆)−110Entries
143
Mean95.65
RMS45.4

最も consistent10になる𝜆を探す

10− 21− 20020406080100120Charge [mV ns]

10− 3050

100150200Charge [mV ns]

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結果

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𝜆の変更による 1光電子分布の違い❖ 𝜆変更前❖ 𝜆変更後Pedestal-subtracted charge distribution ZQ8729 @1400V

0.02
0.018
0.018
0.016
0.016
0.014
0.014
0.012
0.012
0.01
0.01
0.008
0.008
0.006
0.006
0.004
0.004
0.002
0.002
00One p.e. (5)hRemnQ
hOnePhe5
Entries
2560
Entries160
Mean62.66
Mean53.72
RMS35.86
RMS27.13

hOnePhe5
Entries
320
Mean
55
RMS
26.39

0.020.015

0.010.005

0050

100

150200250300
Charge [mV ns]

050

100150200

250300Charge [mV ns]❖ それほど大きな違いは無かった
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結果（17本分）❖ Gain❖ F2
1.3

425000

1.27

𝜆変更後

𝜆変更後

5000003500001.21275000

2000002000001.24275000350000𝜆変更前

425000500000

1.18
1.18

1.21

1.24

1.27

1.3

𝜆変更前
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考察❖ 現在のところ F 2 は 1.21 - 1.28 に分布。仮にF 2 =1.25とおく❖ 他の方法による結果も考えて誤差を 𝛥F 2 ≲ 0.05(4%) とすると、
2 = (𝛥F2/F2)2 + F2/Q
(𝛥Q/Q)❖ 光電子数決定精度は❖ 𝛥Q/Q ≲ 79% @2光電子❖ 𝛥Q/Q ≲ 5% @1000光電子
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Fractional Charge Resolution σQ/Q (p.e.)

CATの分解能への要求との比較❖ CTAの電荷量分解能に対する要1求を上回っている❖ 望遠鏡の他の要素もあるので要求が達成されているかは未確認推定されるPMTのRequirement

光電子数分解能10-1Preliminary
110Figure 7: Fractional rms charge resolution

Goal

102

103
Charge Q (p.e.)

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Q /Q per pixel for di↵erent Cherenkov light signal amplitudes, expressed今後の課題❖ 大光量での測定結果と今回の方法による結果がconsistentかどうか確認する❖ ゲインとFファクターの誤差を正しく見積もり、不定性を検証する

3/24/15

Summary❖ ゲインとFファクターを予め正確に測定しておく事が低エネ
ルギー閾値、高エネルギー分解能実現のために重要❖ 準弾性散乱成分の存在と複数光電子イベントの混入が測定を難しくしている» 極めて低強度の光による測定は正確な結果を与えるが時間がかかる❖ 有望な手法» ポアソン分布を仮定した複数光電子成分の推定» Consistentなパラメーター𝜆を求めた上でのペデスタルの差し引き

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