CTA報告224︓
CTA⼤⼝径望遠鏡のためのSiPMモジュールの開発(3)⽷川拓海A
阿部和樹B、猪⽬祐介A、⼤岡秀⾏A、岡知彦A、奥村暁C,D、折⼾玲⼦E、⽚桐秀明F、櫛⽥淳⼦B、窪秀利A、郡司修⼀G、⼩林志鳳H,A、齋藤隆之A、
櫻井駿介A、⾼橋光成C、⽥島宏康C、⽴⽯⼤I、⽥中真伸J、⼿嶋政廣A,L、
寺内健太K、寺⽥幸功I、⾨叶冬樹G、中森健之G、⻄嶋恭司B、野崎誠也A,L、
野⽥浩司H,A、橋⼭和明A、Daniela HadaschA、Daniel MazinA,L、
溝⼿雅也M、⼭本常夏M、吉⽥⿓⽣F、他CTA-Japan Consortium
A東⼤宇宙線研、B東海⼤理、C名⼤ISEE、D名⼤KMI、E徳島⼤理⼯、F茨城⼤理、G⼭形⼤理、H千葉⼤理、I埼⽟⼤理、JKEK素核研、K京⼤理、
Lマックスプランク物理、M 甲南⼤理⼯

1◼CTA⼤⼝径望遠鏡（LST）のカメラ• LSTのカメラの役割
ü ⼤気シャワーによって⽣じたチェレンコフ光を捉える
ü 数nsで到来するチェレンコフ光と数百MHzで到来する夜光を弁別する
ü シャワーのイメージからガンマ線のエネルギーと到来⽅向を推定する↑茨城大：服部勇大氏、天文学会スライドより抜粋

ü 現⾏のPMTカメラ
Ø 1855 PMTs（7 PMTs×265モジュール）Ø QE〜40%

カメラ
LST

Ø FWHM〜3 nsØ ゲイン〜4×104
Ø 動作電圧＝1,000 〜 1,400 VØ 電荷分解能〜0.47 p.e.

Credit : G. Pérez

Credit : T.Saito

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◼SiPMカメラによるLSTの⾼性能化• SiPMの利点
ü ⾼い光検出効率(PDE)~50%

カメラの⾼画素化• SiPMカメラ実現時のインパクト

ü ⾼い電荷分解能ü ⾼PDE×⾼画素化によるガンマ線検出感度向上
ü 観測時間増加による突発天体の検出数増加

ü ⽉光下での運⽤が可能
ü 動作電圧＝40〜80 V
SiPM

波⻑ごとのSiPMとPMTのPDE⽐較

SiPM
PMTCornelio et al.(2023)

Progress Report
M1:Takumi Itokawa

SiPMの導⼊によって、低エネルギー側の感度向上

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◼SiPMをLSTに採⽤する際の問題点• 有効⾯積が⼩さい

本講演の論点印加電圧
SiPMの波形(本研究)ü LSTのカメラモジュール(50mm四⽅/pixel)に⽐べて、1ch(6mm四⽅)が⼩さいため、2×2ch分の信号を合成して1chとして扱う• 信号幅が⻑く、夜光とチェレンコフ光を弁別できない

減衰時定数〜110 ns

ü 波形整形回路で信号のFWHMを3 ns以下に加⼯する• 性能に強い温度依存性がある
ü 温度補償回路によって印加電圧を操作し、性能の温度依存性を補正する• オプティカルクロストーク(OCT)により光電⼦数を誤計測する

波⻑ごとのSiPMとPMTのPDE⽐較ü SiPM表⾯の保護樹脂の除去により、OCT確率が低くなる• 夜光が⽀配的な⾚⾊光へのPDEが⾼い5cm

ü ライトガイドによって⾚⾊光をカットする

SiPM
PMT夜光

ü コーティングを直接素⼦正⾯に塗布して、⾚⾊光をカットする研究もなされている
ライトガイド4◼SiPM︓S13361-2196（浜松ホトニクス製）の基礎特性測定• 測定結果セルサイズ：75µm
ピクセル数/ch：6,336

ü 波形︓時定数〜110 ns（次のスライド）
ü ゲイン〜4×106 @Vov〜3 V, 11 ºCü Dark count rate(DCR)〜8×105 Hz@ Vov〜3 V, 22 ºC
ü OCT確率〜20% @ Vov〜3 V , 13 ºC（保護樹脂有り）

降伏電圧の温度依存性※15ºC〜35ºCのデータでフィッティング

ゲインvs印加電圧の温度依存性

ü 降伏電圧〜52.2 V @20 ºC

ゲインの印加電圧依存性

OCT確率の超過電圧依存性

DCRの超過電圧依存性

5◼先⾏研究の素⼦との違い• 波形の違い• SiPMアレイの構成
ü 先⾏研究[1]:4×4→本研究:2×24×4アレイ(先行研究[1])共通光源：FWHM〜80ps
Inome et al. (2019)
印加電圧
本研究

先行研究[2]3mm

6mm

時定数〜110 ns
読み出し回路(本研究)

6mm

3mm
2×2アレイ(本研究)

先行研究[2]

FWHM〜2 ns
6mm

回復時間が長く(〜2µs)、月光下観測に向かない

先行研究[1]

時定数〜300 ns

6mm[1]橋⼭修論(東京⼤学、2021): SiPM型番S14521-0741-2, [2]岩崎修論 (京都⼤学、2022): S13360-3075CN-UV

6◼4ch信号合成回路• 有効⾯積が⼩さい
ü LSTに採⽤する際、4chを合成して1ピクセルにする

SiPM

6mmDCAC

信号合成回路SiPM × 4ch

Progress Report• MEG実験を参考にした信号合成
M1:Takumi Itokawa
ü 直流成分にとっては並列接続なのでキャパシタンスが4倍ü 交流成分にとっては直列接続なので4ch信号合成回路

キャパシタンスが1/4倍→信号の時定数が短縮される

7◼4ch信号合成回路による信号幅短縮• 信号合成回路でSiPM信号を読み出すと2ch信号合成回路信号幅が短くなる
ü SiPMが直列に接続されていることに起因
Ø 信号の時定数が短くなるØ fast成分が⾒えるようになる
4ch信号合成回路

4ch信号合成回路で読み出した波形と1ch読み出しでの波形の比較※slow成分で規格化
直列接続するchを増やすほど時定数が短くなることがわかる

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◼Pole Zero Cancellation 回路︓先⾏研究
印加電圧• SiPMの波形はLSTに採⽤するには⻑すぎるため、

本研究

FWHM~3 nsまで波形整形する必要がある

SiPM

ü 先⾏研究[1]では、PZC回路によってFWHM<3 nsを達成したものの、振幅が約13%に減衰→本研究︓低減衰も達成したい
PZC回路

R1
先行研究[1]

SiPM

C• ⼊⼒信号の時定数𝜏1を𝜏2にして出⼒ü 𝜏1=R1C、𝜏2=R2C

R2

約13%に減衰SiPM+PZC

9◼PZC回路のパラメータ探索︓セットアップ• FWHM~3ns、低減衰を達成するために、回路シミュレーション(LTspice)でベストな回路パラメータを探索ü 先⾏研究︓実験ベースでのパラメータ決定→FWHM〜2 nsを達成
本研究︓シミュレーションベースでパラメータの組み合わせを検討
ü R2はLSTの読み出し回路の⼊⼒インピーダンス50Ωに固定
R1・Cの組み合わせをシミュレーションで検討

シミュレーションを行った回路

SiPM4ch合成信号を入力

Amp部
増幅率〜27倍

PZC部

R1とCの組み合わせを変えてFWHM、回路全体の増幅率をプロット

50Ωに固定10◼シミュレーション結果• FWHM、増幅率はCに強く依存→Cに着⽬

回路全体の増幅率

条件① : FWHM<3 ns, 条件② : 増幅率の変化率~1%→C=30pF

条件①
FWHM vs C

増幅率 vs C
FWHM

FWHMの変化率 vs C

増幅率の変化率 vs C

FWHM~3nsが達成できる
組み合わせ

条件②

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◼アンダーシュート・オーバーシュート評価• オーバーシュート⽴ち下がり〜50ns

FWHM

アンダーシュート⽴ち上がり〜4nsü オーバーシュートを⼩さくするR1が好ましい→R1=1.1kΩに決定

R1

R1変えた時のオーバーシュート評価
R1変えた時のアンダーシュート評価

R1

シミュレーション
シミュレーション

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◼PZC回路の動作確認
先行研究[1]• シミュレーションと実験結果の⽐較で動作検証

SiPM直後ü FWHM : 実験値 2.82 ns, シミュレーション 2.65 ns• 先⾏研究[1]との減衰率の⽐較

約13%に減衰ü PZC回路での減衰率~約42%

PZC後→先⾏研究[1]に⽐べて振幅の減衰を約3.2倍改善
実験とシミュレーションの比較本研究（実験）

SiPMのAmp直後
点線はガウシアンフィット
ピーク波高約7%のずれ
FWHM約6%のずれ→比較的整合PZC後約42%に減衰

13◼Summary• 結果ü SiPMを直列に繋いだ4ch信号合成回路によって、Fast成分

fast成分が顕著になり、slow成分の減衰時定数が約1/2に短縮
ü シミュレーションベースのPZC回路開発によって、Slow成分
信号幅短縮

SiPM信号に最適な回路パラメータを効率的に検証
Ø FWHM〜2.8 nsを実現・信号の減衰を約3.2倍改善• 今後の展望ü 温度補償回路の試作回路は製作済みで、実測したゲイン温度係数に合わせて調整する

FWHM〜2.8 ns
振幅減衰改善ü LST初号機への試験搭載

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