次世代ガンマ線望遠鏡 CTA における波形記録回路 TARGET の時間応答較正手法の開発
重中茜, 片桐秀明, 奥村曉A, 田島宏康A, 中村裕樹A,他CTA Consortium
茨城大理, 名大ISEEA

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Cherenkov Telescope Array（CTA）計画
 大中小の大気チェレンコフ望遠鏡アレイによるガンマ線観測計画
 ガンマ線が大気と相互作用して生じる大気チェレンコフ光を観測⇒ガンマ線の到来方向、エネルギーを推定
イメージ長軸交点

イメージ光量焦点面カメラがとらえたチェレンコフ光イメージ

目標

ソース天体

• 20 GeV – 300 TeV以上のガンマ線観測• 高感度（従来より1桁以上向上）• 高角度分解能（1 – 2 分角）

中口径望遠鏡100 GeV - 10 TeV

大口径望遠鏡20 - 200 GeVなど

小口径望遠鏡
5 - 300 TeV～到来方向

空気シャワー

チェレンコフ光

広範囲に多数設置
ライトプールCredit: The CTA Consortium

各望遠鏡の観測エネルギー帯

Heinrich J. Völk and Konrad Bernlöhr (2009)

ガンマ線観測原理

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小口径望遠鏡と波形記録回路
主鏡(4m)
副鏡(2m)
光検出器(64ch)

TARGET ASIC
小口径望遠鏡 GCT

写真: 奥村 曉Gamma-ray Cherenkov Telescope(GCT)• デュアルミラー光学系:
副鏡による焦点面のイメージ圧縮⇒多チャンネル光検出器を用いたカメラの小型化、コスト削減
焦点面カメラ• (64ch光検出器+信号増幅回路+波形記録回路)×32本を組み合わせた約2000画素のカメラ

Albert et al. (2016).

TARGET カメラモジュール

TARGET ASIC

本研究における評価対象• 信号波形記録回路• 低消費電力(~70mW/ch)、コンパクト• 16chの読み出しチャンネル• サンプリング周波数: 1.0 GHz⇒チェレンコフ光由来の信号(～ns)
に対し、1 ns単位の高速サンプリング
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TARGETの時間応答特性
ASICの各チャンネルでは64 個の波形記録セルの切り替えを繰り返してサンプリング…記録セル毎にサブナノ秒レベルのサンプリング間隔のばらつき
Sampling array

Gain/Buffer
amp

input

Storage array
Wilkinson
ADC
Serial data
outwriteread

応答時間ばらつきの例
dti: サンプリング時間幅(キャパシタアレイ)*64セルの切り替えを繰り返してサンプリングdt
dt1 dt2 3…
*サンプリング時間幅がセル毎にばらつく 4

応答時間ばらつき測定の目的
時間幅の補正による電荷分解能改善*目標: 電荷分解能を要求値(~5%)より十分小さく抑える⇒エネルギー分解能の向上

チェレンコフ光子の観測タイミングとガンマ線源の距離相関の利用⇒望遠鏡の角度分解能の向上
サブナノ秒精度のセル毎時間幅補正

時間情報が理想的な場合
応答時間ばらつきのある場合
応答時間ばらつきによる波形の変形

真の電荷 ≠ 測定電荷

記録セル

チェレンコフ光
イメージ光量重心

イメージ短軸方向(degree)

電圧

セル毎の時間幅補正⇒真の電荷の算出

ガンマ線源の確率密度分布(T.G: 時間勾配)

イメージ長軸方向(degree) 榊直人(2012)
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今回の研究の目的

応答時間ばらつきの一括測定
応答時間ばらつき測定方法の課題
焦点面カメラ…2000ピクセル⇒すでに確立した、一つ一つ信号発生器につなぐ方法は難しい
カメラには較正用LEDが搭載される⇒LEDを用い、カメラの焦点面全体に周期的な光を照射、応答時間ばらつき測定

カメラの全ピクセルの応答時間一括測定6応答時間ばらつき測定方法

前回の内容

応答時間ばらつきにより、出力波は入力波に比べ周期が歪む⇒記録波形のサンプリング時間幅を補正し、セル毎の補正幅を求める＝ 応答時間ずれ

測定手順
1.

サンプリングした周期波を、0交点を用いて1周期毎に分割(下図の塗りつぶし部分)

2.

記録波形の周期が入力波の周期に近づくように、1周期毎に各セル時間幅を少しずつ補正

3.

入力周期波の位相を変え、様々なセルの組み合わせによる1周期の補正⇒補正を重ねることで、各セルの応答時間の特徴が表れる

input

dti dti+1

output (N cells)

出力波が短い各dtiを伸ばすdti’ dti+1’* 参考： Stefan Ritt, PSI (www.psi.ch/drs/DocumentationEN/nss08.ppt)

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応答時間ばらつき測定環境
TARGETに信号発生器の出力を直接入力

Voltage(mV)

LEMO⇔フラット
ケーブル変換TARGETTARGETからの出力波

入力波• 波形: サイン波
• 周波数: 50 MHz• 振幅: 500 mVpp
Cell number

80番目のcellに対する時刻ずれ0のライン

Cell number(=サンプリング時刻(ns))

理想1ns周期に対するずれ(ns)サンプリング時刻ずれ(ns)

TARGET 応答時間ばらつき測定結果
信号発生器を用いた測定*1.0GHzサンプリング

Cell number• 64セル周期性 ⇒ 64個のサンプリングセルの周期に一致• 最大時刻ずれ: ±0.9nsの幅内 ⇒ データ飛びがない• 最大時間幅ずれ: <～0.3ns ⇒ サンプリング周波数に対し十分小*隣のセルとの時刻差• シミュレーションより、時刻ずれの測定精度は0.13nsである(前回の発表より)

左図を以降のLEDによる測定結果に対するリファレンスとする
9LED光による応答時間ばらつき測定方法
LEDを用いた測定のセットアップ
LED(UV3TZ-400-30)
信号発生器
3390

50cm

SiPM (S13360-3075CS)
カメラモジュール

周期的な発光Voltage(mV)

フィルター(3%)

TARGETからの出力波

測定方法• LED光を光検出器に照射⇒光検出器

からの信号でばらつき測定• 光検出器: 一括補正の前の準備試験として、1ch光検出器を使用• 入力波: パルス波(10MHz)
Cell number

パルス波は実際の光量較正で使用
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TARGET 応答時間ばらつき測定結果

LED光を用いた結果との比較
サンプリング時刻ずれ(ns)

リファレンスとの差
リファレンスの値
LEDによる測定結果

中央値 : 0.0108
標準偏差: 0.1133

差の算出範囲Cell number(=サンプリング時刻(ns))

リファレンスとの差(ns)

直接信号発生器からTARGETに、50MHzサイン波を直接入力した結果をリファレンスとする。 *周波数が大きいほど測定精度が良い• LEDを用いた結果:
応答時間ばらつき測定が64セル周期性を持つできているリファレンスと0.1nsの精度で重なる
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まとめと今後
TARGETの応答時間ばらつき測定結果• TARGETのサンプリングセル由来の64セル周期性⇒期待通りの結果

LED光による応答時間ばらつき測定結果• 64セル周期性が見られた⇒期待通りの結果• リファレンスの結果と変化の様子が重なる• リファレンスとの差の標準偏差は0.1ns

今後• 入力波形や光源の選択など、TARGETモジュールと光検出器を用いた、応答時間ばらつき測定方法の改善を目指す

本研究は公益財団法人日本科学協会、笹川科学研究助成による援助を受けて行いました。

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