CTA 報告105:

半導体光検出器を用いたCTA小口径望遠鏡焦点面カメラのシミュレーションによる性能評価
佐藤雄太A, Jason WatsonB, 池野祐平C, 稲田知大D, 大石理子D, 奥村曉A,E,片桐秀明F, 櫛田淳子C, 郡司修一G, 齋藤隆之H, 榊直人I, 田島宏康A, Dang Viet TanE,永吉勤J, 西嶋恭司C, 日高直哉A, 平井亘C, 増田周H, 松岡俊介J, 山根暢仁A,
吉越貴紀D, 吉田龍生F , 他 CTA Consortium.

名古屋大学 宇宙地球環境研究所A, オックスフォードB, 東海大理C, 東大宇宙線研D,マックスプランク核物理E, 茨城大理F, 山形大理G, 京大理H, 阪市大理I, 埼玉大理J 	

改組	

1 	

物理学会 (東北学院大学), 2016年 3月22日

Gamma-ray Cherenkov
Telescope（GCT）
主鏡² CTA計画の3つある小口径望遠鏡のデザインの１つ。
(5 - 300 TeVを観測

副鏡² エネルギー分解能15%

焦点面カメラ	

科学目的：超新星残骸を始めとする宇宙線起源やその加速限界の解明など。

The CTA Consortium	

CHEC

焦点面カメラ試作機 (2048ピクセル、32個のモジュールで構成されている)

2	² 副鏡を利用して、結像性能を8 以上の視野で維持したまま、焦点距離を短縮。

カメラモジュール

64 チャンネル光検出器には、MAPMTをプロトタイプとして使用中v 焦点面カメラが小型化	  v 望遠鏡１台あたりの費用が低減	  v 多数の望遠鏡設置が可能に	半導体光電子増倍素子(SiPM)望遠鏡搭載素子をMAPMTから、SiPMへ変更予定
光検出器部分
0.2	  mmの	  不感部分	
3 mm 3 mm(不感部は0.2 mm)
CHEC

16 chs

3.2 mm = 51.2 mm² 長所	
• 高い量子効率(<70%)をもつ。
• 耐久性が高い。
• 低い印加電圧でも光電子数を106 倍まで増幅できる。
3	50	  µm	  の増幅セル	

搭載候補品の１例² 短所	
• １つの光子を複数の光子として認識するオプティカルクロストーク（以下、クロストークと呼称）が起きる。
• ノイズとゲインに強い温度依存性。
• アフターパルスが発生。

半導体光電子増倍素子(SiPM)
1 pixel は増幅APDセルの集合である。
クエンチング抵抗	

絶縁体p+	p-­‐	
光子

電極
・・・

・・・
p	
電子雪崩

n	電極
4	・・・

不感層

クエンチング抵抗により、1 セル あたり一定の出力値。

全セルの出力を合計

半導体光電子増倍素子(SiPM)
1 pixel は増幅APDセルの集合である。
クエンチング抵抗	

絶縁体p+	p-­‐	
光子

電極
・・・

２次光子

・・・
p	
電子雪崩

電子雪崩

n	電極
5	・・・

・・・

不感層

１光子の入射を、複数光子の入射として出力してしまう（クロストーク）。

クロストークによる波高分布の変化
１p.e.	  がピクセル中で発生した場合の出力波高分布。	

probability	

クロストークレート	  r	  だけ	  イベント数が減る	
r	  が加算される	
さらにクロストークを起こすのは	  r2	  p.e.	
面積１	
クロストークがない場合p.e.	
クロストークがある場合

このような影響を、電荷分解能

出力信号から求めた光電子数のばらつきδQ＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＝
生成した真の光電子数Qという指標で評価する。
6	

相対的な光検出効率	

製品ごとのクロストークレートの比較
候補品A	

候補品B			候補品A	山根報告
(講演番号 21aCA-4）

採用候補の SiPM	  で	  異なる	  	  l ピクセルサイズ	  l 有効面積	  候補品B	

クロストークレート [%]	l チェレンコフ光を捉えるために、光検出効率は高いほど良いが、光検出効率を上げるために電子雪崩を促す電圧を上げると、クロストークレートの上昇も伴う。
7	l 光検出効率とクロストークの関係に注目すると、クロストークレートが10％以下
では候補品A、もし１０％以上が許容できるならば候補品Bを用いるのが良い。

GCTカメラのMCシミュレーションによる電荷分解能評価
空気シャワーシミュレーション（CORSIKA）

5 ‒ 300 TeV
天頂角０シャワーシミュレーションの結果を読み込ませる

装置応答シミュレーション(sim̲telarray)

大気チェレンコフ光画像	  （シミュレーション）	  	  ガンマ線の光子数の	  推定を行う。	  
観測時にはチェレンコフ光	  以外にも夜光が入射する。	  
8	

GCT：4 台夜光 : 41, 410 MHz/pixel
0, 10, 20%のクロストークレート	
ここで、ピクセルごとに真の電子数、出力電圧値を取得。

電荷分解能導出	使用した波高分布
1 p.e. が入射した際の出力信号の波高分布。
クロストークレート０%	  クロストークレート１０%	  クロストークレート２０%	  10%20%

Plobability

10%

20%

10%

20%

光電子数 [p.e.]→素子の選定に関わる上記3つのクロストーク確率を夜光と共に組み込んでシミュレーションを行い、電荷分解能への影響を調べる。
9	夜光 41 MHz
Charge Resolution σQ/Q True

電荷分解能

Charge Resolution σQ/Q True (Relative to Goal)

出力信号から求めた光電子数のばらつきδQ＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＝
生成した真の光電子数Q
1.6

1

1.4

1.2

10−1
crosstalk 0%

10.8

crosstalk10%
crosstalk20%

0.6

Requirement
Goal

0.4
00.5

11.5

22.5

3Log (True Charge (Q1010	²

True3.5) (p.e.))

00.5

11.5

22.5

3Log (True Charge (Q10True) (p.e.))

候補品Bを想定したクロストークレート２0%でもrequirement を満たしている。

夜光 410 MHz
出力信号から求めた光電子数のばらつきδQ＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＝
生成した真の光電子数Q
Charge Resolution σQ/Q True (Relative to Goal)

Charge Resolution σQ/Q True

電荷分解能

1.6

11.4

1.2

10−1

10.8

crosstalk 0%
crosstalk 10%

0.6

crosstalk 20%
Requirement
Goal

00.5

0.4
11.5

22.5

33.5

クロストークは電荷分解能について支配的でない	
00.5

Log10(True Charge (QTrue) (p.e.))²
11	

低エネルギー側では夜光の影響を強く受けている。

11.5
22.5
Log (True Charge (Q10True3) (p.e.))結論² 夜光が平常運転時に期待される 41 MHz/pixel 程度では、候補品Bを想定したクロストークレート２0%でもrequirement を満たしている。
² クロストークレートは電荷分解能について支配的でない。

² 今後はエレクトロ二クスのノイズにも注目して評価したい。
² 夜光がカメラに入射するとクロストークを起こし、感度の低下を招く。
そのため、トリガー性能への影響を考えて搭載品を選定する必要がある。
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