CTA 報告157: CTA大口径望遠鏡に用いる光電子増倍管の時間応答性能の評価
C砂田 裕志𝐀 , 猪目 祐介B 岩村 由樹B , 大岡 秀行 B , 岡 知彦 , 岡崎 奈緒B ,G奥村 暁D,E , 折戸 玲子F , 梶原 侑貴C , 片桐 秀明 , 櫛田 淳子H 窪 秀利H ,郡司 修一I , 小林 志鳳B , 斎藤 隆之B , 櫻井 駿介B , 鈴木 萌G , 高橋 光成B ,田中 真伸J , 田村 健次K , 町支 勇貴K , 手嶋政廣B,L , 寺田 幸功A ,門叶 冬樹I , 中森 健之I , 永吉 勤A , 西嶋恭司H , 野上 優人G , 野崎 誠也CM
野田 浩司B , Daniela HadashB , 林田 将明 , 馬場 彩N , 平子 丈C ,古田 智也H , Daniel MazinB,L , 増田 周C , 山本 常夏K , 吉田 龍生G ,他 CTA Japan Consortium , 池野 正弘 J,O , 内田 智久J,O埼玉大理A , 東大宇宙線研B , 京大理C , 名大 ISEED , 名大 KMIE ,徳島大理工F , 茨城大理G , 東海大理H , 山形大理I , KEK 素核研J ,甲南大理工K , マックスプランク物理L , 立教大理M , 東大理N , Open − It O

LST 焦点面検出器とトリガーシステム

焦点面検出器1855 PMTs/LST

アナログサムトリガー方式

thresholdモジュール内でPMT ７本分の信号を遅延回路で調整し、足し合わせる。
さらに、隣接するモジュール同士の信号を足し合わせる⇒微弱な信号にもトリガーをかけることが可能
遅延回路は 0.25 ns 刻み、最大 5.75 ns で調整可能

PMTの時間応答の個性は 5.75 ns に収まっているか？

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PMTの時間応答特性
電子走行時間( Transit time , T.T. )PMTに光子が入射してから、電気信号が出力されるまでにかかる時間
印加電圧に依存、ダイノード間を一定電場とすると
𝛼𝑇. 𝑇. =+ 𝛽 LST用のPMT は初段 350 V 固定
𝐻𝑉 − 350

電子走行時間広がり( Transit time spread T.T.S. )1光電子イベントごとのT.T.のばらつき
光電子イベントごとに電子異なる経路を通ることから生じる

PMTごとの T.T. の個体差やT.T.S. を詳細に知らなければトリガー性能を評価できない

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本実験の目的
1. PMTごとの T.T. のばらつきが 5.75 ns に収まっているか？
運用電圧(ゲイン4E4になる電圧)のばらつきの影響
PMTごとのT.T.の個体差
2. T.T. 分布の形状と広がりはどのようになっているか？
T.T.S. の値はどれくらいか(検出器シミュレーションのために)
3. LST 1号機用 PMT ( 8 dynode : R11920-100 )2号機以降用 PMT ( 7 dynode : R12992-100 )の時間応答性能の差異はどの程度か？

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測定セットアップ

MPPC

PMT

光源系

検出器系

T.T.

eventsMPPC : S10362-33
ジッタ― ~60 ps∝T.T.S.

T.T.
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解析方法・光電子イベントの抽出得られた 1 p.e. 測定のデータはノイズイベントと光電子イベントが混在→遮光状態での測定と比較し光電子イベントを抽出

波高値

光電子イベント

ノイズイベント

ノイズ測定の分布

1 p.e.測定の分布
パルス幅

パルス幅

時間ノイズイベント

電荷量
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電荷量
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解析方法・ Transit time波形
T.T.分布 1400V

× 数千 events

events

青 : MPPC
黒 : PMT

Transit time (ns)T.T.

Transit time (ns)
HV vs. T.T.
印加電圧 vs T.T. のグラフをフィッティング
𝑇. 𝑇. = 𝛼1
𝐻𝑉 − 350−

11150 − 350+ 𝑇. 𝑇.1150𝑉

印加電圧
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解析方法・ Transit time spread
T.T.分布の標準偏差からT.T.S.を推定
T.T.分布の標準偏差には、T.T.S. だけでなく解析や測定系に依存した様々な要因が含まれる

Transit time (ns)T.T.S. (ns)eventsT.T.S. , 光パルスの広がり、MPPCのジッタ―、到来時刻決定誤差を含む

T.T. 分布の広がりから以下の成分を除去• パルス光の広がり⇒ 微小 ~ 40 ps• MPPC のジッタ―⇒ 微小 ~ 60 ps• 到来時刻決定誤差 ⇒ ≦ 100 ps
HV vs. T.T.S. を求める
おおよその運用電圧(8dy 1050 V, 7dy 1150 V)
でのT.T.S. を求める
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印加電圧 (V)2019年9月18日

7 /14測定したPMT
実際に行った測定セットは3種類✓ 1号機用 8-dy PMT R11990-100 の個性測定✓ 2号機以降用 7-dy PMT R12992-100 の個性測定✓ 再現性確認の測定
ID

測定セット

ターゲットPMT

リファレンスPMT

測定数

8dy

R11990-1000 の個性測定

R11990-100
16本

AA381016本

7dy

R12992-1000 の個性測定

R12992-100
29本

AA381029本

再現性

再現性確認の測定

AA3810AA6811

34回同時に 2本のPMTを測定できるので、目的の測定とは別にリファレンスPMTとして毎回同じPMTを測定した
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8 /14測定結果 再現性
1.

2.

34回の再現性測定の各印加電圧での T.T. と T.T.S. の平均値と標準偏差を計算してグラフにプロット
各測定に対して、HV T.T. カーブをフィッティングしてパラメーターを求める

HV vs. T.T. フィッティング
𝑇. 𝑇. = 𝛼1
𝐻𝑉 − 350𝛼ത = 331 , 𝜎𝛼 = 5.6−11150 − 350+ 𝑇. 𝑇.1150𝑉

𝑇. 𝑇.1150𝑉 = 20.61 ns , 𝜎𝑇.𝑇.1150 = 0.080 ns

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9 /14測定結果 再現性
1.

2.

34回の再現性測定の各印加電圧での T.T. と T.T.S. の平均値と標準偏差を計算してグラフにプロット
各測定に対して、HV T.T. カーブをフィッティングしてパラメーターを求める

T.T.の測定の精度は0.1 ns 程度

T.T.S.の測定の精度は0.1 ns 未満

T.T. 分布は正規分布

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測定結果 8dy , 7dy PMT
赤が 8-dy (1号機用)、青が 7-dy (2号機以降用)
グラフの各点は複数のPMT での平均値、誤差棒は個体差の標準偏差8dy PMT R11990-100𝛼ത = 413 , 𝜎𝛼 = 11 𝑇. 𝑇.1150𝑉 = 23.91 ns , 𝜎𝑇.𝑇.1150 = 0.25 ns
7dy PMT R12992-100𝛼ത = 336 , 𝜎𝛼 = 4.5 𝑇. 𝑇.1150𝑉 = 20.78 ns , 𝜎𝑇.𝑇.1150 = 0.097 ns
再現性𝛼ത = 331 , 𝜎𝛼 = 5.6 𝑇. 𝑇.1150𝑉 = 20.61 ns , 𝜎𝑇.𝑇.1150 = 0.080 ns
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測定結果まとめ 8dy , 7dy PMT
8dy PMT R11990-100𝛼ത = 413 , 𝜎𝛼 = 11 𝑇. 𝑇.1150𝑉 = 23.91 ns , 𝜎𝑇.𝑇.1150 = 0.25 ns
7dy PMT R12992-100𝛼ത = 336 , 𝜎𝛼 = 4.5 𝑇. 𝑇.1150𝑉 = 20.78 ns , 𝜎𝑇.𝑇.1150 = 0.097 ns
再現性𝛼ത = 331 , 𝜎𝛼 = 5.6 𝑇. 𝑇.1150𝑉 = 20.61 ns , 𝜎𝑇.𝑇.1150 = 0.080 ns
ID

T.T. @ 1150 V

T.T. ばらつき

T.T.S.

測定数

8dy

23.91 ns0.25 ns0.78 ns

16本

7dy

20.78 ns

0.1 ns 未満

0.70 ns29本

再現性20.61 ns

0.080 ns0.70 ns

34回

T.T. , T.T.S. ともに1号機用 8段ダイノード PMT の方が大きな値となった

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運用時のT.T. 分布
1 号機用 PMT と 2号機以降用 PMT の運用電圧分布をHV-T.T. の結果を用いて T.T. 分布に変換
電圧分布は 8dy は全数測定結果 7dy は浜松ホトニクスの提供値

PMTs

8dy R11990-100

0.9 nsVoltage (V)

2.1 nsPMTs

7dy R12992-100

1号機用、2号機以降用PMTとも
T.T. 分布が 5.75 ns に収まり要求を満たす
T.T. は1号機用の方が 4 ns 程度大きい
Voltage (V)CTA 報告157 : CTA大口径望遠鏡に用いる光電子増倍管の時間応答性能の評価

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13 /14まとめ
ガンマ線天文台CTA-LST に用いる1号機用 PMT (8dy)と2号機以降用 PMT (7dy) の時間応答性能を測定した✓ PMT の Transit Time を 0.1 ns の精度で測定
Transit Time の個性は0.25 ns (8dy) , 0.1 ns 未満 (7dy)
印加電圧によるばらつきは
2.1 ns (8dy) , 0.9 ns (7dy)と遅延回路からの要求である 5.75 ns 未満を満たす✓ Transit Time Spread を 0.1 ns 未満の精度で測定した
0.78 ns (8dy) , 0.70 ns (7dy)✓ 7dy に比べ 8dy の方が運用電圧でのT.T. は 4 ns 程度大きい

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