CTA報告223:
CTA⼤⼝径望遠鏡搭載の焦点⾯検出器の アフターパルス発⽣確率の研究
清本拓⼈A, ⾼橋光成B, ⼭本常夏C, ⼩林志鳳D,E, 武⽯隆治D,齋藤隆之D, ⽴⽯⼤A, 寺⽥幸功A,
⽷川拓海D, 猪⽬祐介D, ⼤岡秀⾏D, 岡知彦D, 奥村曉B,F, 折⼾玲⼦G, ⽚桐秀明H, 櫛⽥淳⼦I, 窪秀利D,
郡司修⼀J, 櫻井駿介D, ⽥島宏康B, ⽥中真伸K, ⼿嶋政廣D,L, 寺内健太M, ⾨叶冬樹J, 中森健之J,⻄嶋恭司I, 野崎誠也D,L, 野⽥浩司D,E, 橋⼭和明D, Daniela Hadasch D, Daniel Mazin D,L, 溝⼿雅也C他 CTA-Japan Consortium
埼⽟⼤理A, 名⼤ ISEE B, 甲南⼤理⼯C, 東⼤宇宙線研D, 千葉⼤理E, 名⼤ KMI F, 徳島⼤理⼯G,茨城⼤理H, 東海⼤理I, ⼭形⼤理J, KEK 素核研K, マックスプランク物理L, 京⼤理M

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⼤⼝径望遠鏡(Large Size Telescope, LST)
PMT モジュール×265

焦点⾯検出器7本のPMT

信号読み出し基盤

平均量⼦効率は40%

Credit: 永吉勤 Master’s thesis. 埼⽟⼤学. 2014

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Credit: G. Pérez, IAC, SMM https://www.cta-observatory.org/project/technology/lst/

2

アフターパルス

光電⾯① 光が⼊射収束電極

⼊射光⼦による出⼒信号の後に⽣じる擬似パルス= アフターパルス

発⽣したアフターパルス数
メインパルスの光電⼦数

アノード② 電⼦とガスが衝突アフターパルスの発⽣確率!"#!"# =ダイノード③ 電離したガスが光電⾯に引き寄せられて(イオンフィードバック)、再度光電⼦が発⽣

アフターパルスは、メインパルス発⽣から3 µs の範囲で分布しており、その到来時間は、イオンの質量と電荷による
B=

J+ G
I3
D ( %& − ((%) K%
2- EF%& ︓イオンの発⽣位置'︓光電⾯の位置((%)︓位置%における電位+, -: イオンの質量、電荷PMTの管内に残留していると想定されるガス• ⼤気中に含まれる分⼦⇨ N3 A5 H7 CH9 Ne K5 X7• 光電⾯の素材として含まれる分⼦⇨ Rb Sb Cs
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AfterPulseが望遠鏡に与える影響• 望遠鏡の観測中には、宇宙線や夜光(Night Sky Background, NSB)が⼊射⇨ガンマ線観測において、バックグランドになる• 電荷量の⼤きいアフターパルスの発⽣確率が増加すると、トリガー閾値を引き上げる必要がある=> 観測エネルギーの下限値に影響する

NSBによるトリガー

カウント数

アフターパルスの電荷分布

30光電⼦数程度まで電荷分布を持つ

電荷量(光電⼦数)
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トリガnレnト

アフターパルスによるトリガー
宇宙線によるトリガー

発⽣率 低

トリガー閾値(光電⼦数)

発⽣率 ⾼4

研究の動機• 2015年のPMT評価試験にて、PMTのアフターパルスの増加傾向が確認されたLEDでPMTに連続光を照射した実験

アフターパルスの発⽣確率 × 10#$

LST初号機搭載PMTの増加率 => ~ 0.004%/year• その⼀⽅で、アフターパルスの発⽣確率は、PMTに連続光を照射し続ける事により減少することが実験で確認された

イオンフィードバックを促した事により、アフターパルスの発⽣確率は急速に減少し、その後⼀定の値に漸近した連続光(300 MHz)の照射時間 [hour]

時定数

光電⾯に流れた電流 [C]Credit: 櫻井駿介 Master’s thesis. 東京⼤学. 2017, 埼⽟⼤学永吉⽒

ガスのイオン化を促進して、ダイノードの残留ガスが減少
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研究の⽬的⇨運⽤中のLST初号機中のPMTモジュールでは観測中にNSBを受けて、アフターパルスの発⽣確率が抑制されているのでは︖

本研究の⽬的• LST初号機のPMTモジュールのアフターパルス測定を⾏い、① 現在のアフターパルスの発⽣確率を確認する② アフターパルスに対するNSBの影響を調査する測定したPMTモジュール• 運⽤の有無による影響を⽐較するため、以下の環境の異なるPMTモジュールを3セットずつ⽤意し、同時に測定した• 夜光が当たっている⇨ LST初号機から取り出したPMTモジュール (実機PMT)• 夜光が当たっていない⇨ 評価試験以降、予備として使⽤していなかったPMTモジュール (予備PMT)
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アフターパルス測定⽅法• PMTの増倍率が40,000になる印加電圧で測定を実施• 50光⼦相当の光量を照射し、50,000イベント取得• 波形取得装置の最⼤取得範囲が1 µsであるため、レーザーの発光タイミングとトリガーのタイミングをずらして、メインパルスから4 µsまでの波形を取得
メインパルスアフターパルス

1 µs
トリガー

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1 µs
トリガー

1 µs
トリガー

1 µs
トリガー7アフターパルスの識別⼿法• 平均波形と各イベント毎に微分波形を求める• 以下の条件を満たした波形をアフターパルスと識別するü微分波形が閾値を超えた場合
ü⽣波形が閾値(平均波形との偏差)を超えた場合

電圧 (mV)⽣波形 (出⼒波形)

微分電圧

微分波形

時間 (ns)21pW2-78

結果１: アフターパルスの測定結果
アフターパルス発⽣確率の平均値
実機PMT(測定本数 20本)
予備PMT(測定本数 21本)

(7.9 ± 2.6) × 10,- %/光電⼦数(3.6 ± 0.6) × 10,0 %/光電⼦数

PMTs

実機PMTの⽅がアフターパルスの発⽣確率が低い
測定したPMTのアフターパルス分布

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アフターパルスの発⽣確率9結果１: アフターパルスの測定結果
予備PMT

ZQ3798

ZQ4065

アフターパルスの電荷量 (光電⼦数)

アフターパルスの電荷量 (光電⼦数)

実機PMT

メインパルスからの到来時間 (ns)メインパルスからの到来時間 (ns)

電荷量が4光電⼦数以上のアフターパルス

アフターパルスのカウント数

アフターパルスのカウント数

電荷量が4光電⼦数以上のアフターパルス

メインパルスからの到来時間 (ns)21pW2-7

メインパルスからの到来時間 (ns)10

結果2: 過去の測定結果との⽐較• 2015年に実施されたPMT評価試験の測定結果を再解析して、今回の測定結果と⽐較し、発⽣確率の遷移を求めた• 実機PMTの増加率 −6.0 ± 3.9 ×10*+ %/year
予備PMTの増加率 2.9 ± 0.4 ×10*0 %/year
先⾏研究と同様の増加傾向
わずかに減少︖
実機PMT

予備PMT

アフターパルスの発⽣確率

PMTモジュールの運⽤期間

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測定⽇

測定⽇

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結果3: アフターパルスの時間分布
アフターパルスの電荷量 (光電⼦数)

H " He" CH%" N'" Ar " Kr " Cs "• ⼀番到来時刻の速いピーク(160 ns)をH " によるアフターパルス
としてイオン毎のピークを算出

アフターパルスのカウント数

メインパルスからの到来時間 (ns)21pW2-7• ピークの到来時刻から、アフターパルスを引き起こすイオン種を推定する

メインパルスからの到来時間 (ns)

ピークの到来時刻推定される
イオン(分⼦量)160 nsH " (1)

320 nsHe" (4)640 ns

CH%" (16)850 nsN'" (28)1010 ns

Ar " (40)1470 ns

Kr " (83)1850 ns

Cs " (133)12結果3: アフターパルスの時間分布
アフターパルスの電荷量 (光電⼦数)

H " He"CH%" N'" Ar " Kr " Cs "推定したピーク位置周辺でのアフターパルスの発⽣確率を求める

アフターパルスのカウント数

メインパルスからの到来時間 (ns)21pW2-7

メインパルスからの到来時間 (ns)

計算範囲

推定した
イオン

140 ~ 190 ns

H"

300 ~ 500 nsHe"

670 ~ 770 ns

CH%", N'"

1000 ~ 1200 ns

Ar ", CO"'

1600 ~ 1800 ns

Cs "などの重い分⼦

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結果3: アフターパルスの時間分布• 予備PMTでは、ヘリウム由来のアフターパルスの増加が顕著だが、実機PMTでは、その傾向が⾒られなかった

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H"# = 140 ~ 190 ns

He"# = 300 ~ 500 ns

Ar ", CO"+# = 1000 ~ 1200 ns

重い分⼦# = 1600 ~ 1800 ns

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結論• LST初号機に搭載されたPMTモジュールと予備のPMTモジュールのアフターパルスを同時に測定することで、アフターパルスの経年変化とアフターパルスに対するNSBの影響について調べた• 実機に搭載されたPMTモジュールは、実機搭載されていないPMTモジュールと⽐較して、アフターパルス発⽣確率の増加が抑制されている• 特に、ヘリウム由来のアフターパルス成分の増加が抑えられている事が分かった

今後の展望• PMTに連続光を照射する実験を再度⾏い、NSBがヘリウム由来のアフターパルスの減少に有効なのか検証を⾏う

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