CTA 報告125:
CTA 大口径望遠鏡初号機の焦点面検出器開発状況
櫻井駿介
櫻井駿介 A, 池野 正弘 M,Q, 稲田 知大 A, 猪目 祐介 B, 岩村 由樹 A, 内田 智久 M,Q, 大岡 秀行 A, 奥村 曉 C , 岡崎 奈緒 A,折戸 玲子 D, 片岡 淳 E, 片桐 秀明 F , 木村 颯一朗 G, 櫛田 淳子 G, 窪 秀利 H, 郡司 修一 I , 小山 志勇 J , 今野裕介 H, 齋藤 隆之 A, 澤田 真理 K, 砂田 裕志 L, 高橋 光成 A, 田中 真伸 M,P , 辻本 晋平 G, 手嶋 政廣 A,N , 寺田 幸功 L, 門叶 冬樹 I , 中嶋 大輔 A, 中森 健之 I , 永吉 勤 L, 西嶋 恭司 G, 西山 楽 L, 野崎 誠也 H, 林田 将明 P , 馬場 彩 O, 平子 丈 H, 深見 哲志 A, 増田 周
H, 山本 常夏 B, 吉田 龍生 F , Daniela Hadasch A, Daniel Mazin A, 他 CTA-Japan consortium
東大宇宙線研 A, 甲南大理工 B, 名大 ISEEC , 徳島大理工 D, 早稲田大理工 E, 茨城大理 F , 東海大理 G, 京大理 H, 山形大理 I ,宇宙研 J , 青山大理工 K, 埼玉大理工 L, 高エネ研 M, Max Planck Institut fur Physik N , 東大理 O, 千葉大理 P , Open-It Q1

Cherenkov Telescope Array (CTA)
次世代地上ガンマ線天文台❉ 三種類の異なる口径の望遠鏡❉ 従来の望遠鏡と比較して❉ 一桁高い検出感度❉ 一桁広いエネルギー帯域（20 GeV ‒ 300 TeV）
❉ スペイン領ラ・パルマ島（北天）、チリ・パラナル（南天）に望遠鏡を設置し全天を観測❉ ガンマ線を通じた極限宇宙の理解

中口径望遠鏡
北半球サイト望遠鏡建設イメージ

大口径望遠鏡Credit: CTA-Observatory.org

MAGIC望遠鏡

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CTA 大口径望遠鏡 (LST)
焦点面検出器及び主鏡の開発は日本が主導（他、ドイツ、スペイン、イタリア）

視野4.5度

主鏡198枚

焦点距離28 m

エネルギー帯域
20 GeVから数TeVまで

口径23 m

総重量120 t

PMTモジュール
PMT 7本（平均量子効率40%以上）
信号読み出し基盤（1 GHz 高速波形サンプリング）
焦点面カメラに265モジュール搭載
現在初号機建設中

2018年6月ファーストライト

Credit: CTA-Observatory.org

3

焦点面検出器: PMTモジュール
Dragon board V5
アナログメモリDRS４により
高速1 GHz サンプリング->夜行バックグラウンドを効果的に排除
アナログメモリ＆低速ADC読み出し->低消費電力（約130 mW/PMT）

Slow Control Board
PMT印加電圧の調整テストパルスの生成

浜松ホトニクスR11920
平均量子効率40%以上
高ゲイン、低ゲイン差動出力

アルミ管内、PMT後方にCW-HV回路、プリアンプ内蔵
4

焦点面構造体の開発状況
265PMTモジュール
計1855ピクセルを搭載

スペインが開発を担当
大口径望遠鏡初号機用は製造が完了

今後この構造体を用いた焦点面検出器統合試験が行われる予定

高さ、幅ともに大きさ 3 m

5

大口径望遠鏡初号機建設の現状
9月2日時点
駆動輪の設置完了
構造体の建設開始

標高 2200 m

空港から車で約二時間

スペイン領
ラ・パルマ島Credit: www.lst1.iac.es6MiniCameraによるPMTモジュール統合試験
MiniCameraの写真
19モジュール搭載済

MiniCamera❉

19モジュール（１３３ピクセル）の小型カメラを用いた統合試験

目的❉

PMTモジュールとしての性能評価
および要求値、過去の測定との比較（今回の発表内容）❉

データ収集システムの構築・評価❉

トリガー分配試験等

2017年始めから
スペイン領テネリフェ島
IAC研究所で組み立て及び統合試験を開始
7

性能評価の測定・試験項目
測定項目❉

一光電子測定（HV=1400 V）❉

印加電圧 vs PMT増幅率❉

運用印加電圧（増幅率4万）❉

ノイズレベル❉

一光電子測定（増幅率4万）❉

入射光量に対する線形応答性その他❉長時間安定性❉

試験結果のデータベース化

現在までに大口径望遠鏡一号機に必要な全モジュール （265+5）個の組み立て及び性能試験が終了

目的❉

運用電圧の決定->トリガー効率を保つパルス幅のため❉S/N比の確認->ガンマ線観測エネルギー閾値に影響❉

ダイナミックレンジの確認->広いチェレンコフ光の入力に対応
35モジュールは日本で性能評価済

テネリフェで測定された
235モジュールに関して性能試験の結果を報告
8一光電子測定によるPMT増幅率の絶対値推定（HV=1400 V）
測定された分布の一例
一光電子ピーク

すべてのモジュール内ピクセルにおいて一光電子の測定に成功
一光電子電荷の分布~HV1400での増幅率~増幅率30万

はじめに高印加電圧=高増幅率で一光電子を測定->PMTの増幅率絶対値を推定
印加電圧 vs 増幅率の測定と合わせて増幅率4万となる印加電圧を求める

9IP238chch 1
1 HG
Gain Curve
Curve
IP238
HVHV
Gain

IP238 ch 3 H

1. 印加電圧を変化させながら一定光量の光を測定
4

高ゲイン出力104

IP238 ch 2 HV Gain Curve

Integlated ADC

104

Integlated ADC

Integrated
ADC
増幅率
InteglatedADC

印加電圧 vs PMT増幅率の測定と運用印加電圧
10->印加電圧に対する増幅率の変化を推定
2. 先の一光電子測定の結果から左図の曲線の絶対値を決定
103

103

104

103

3.増幅率4万となる印加電圧を決定->運用印加電圧

900

0.04
0.02
0− 0.02− 0.04
− 0.06− 0.08− 0.11000

1100

1200

運用印加電圧

1300
1400 V
Supplied Voltage (V)

印加電圧 (V)1021030.1

V0.080.060.040.02− 0.04− 0.04− 0.06− 0.06− 0.0810

再現性を確認 10eglated ADC

eglated ADC

100.0404− 0.1

3c.f. 高橋講演 2015年秋
40.06− 0.02− 0.1

IP238 ch 5 HV Gain Curve0.08− 0.02High Voltage

1030.02− 0.08100.1

0

運用印加電圧の平均値、分布ともにPMT単体時の測定と無矛盾
3

Ratio × 100 [%]0.06

Ratio × 100 [%]Ratio × 100 [%]1030.10.08

10増幅率4万3 21010

運用印加電圧の分布

2IP238 ch 6 HV Gain Curve

High Voltage980 V ‒ 1140 V

103

ノイズの標準偏差分布
光をシャッターで遮った状態でノイズレベルを測定

高ゲイン出力 100光電子まで

平均:0.17光電子

標準偏差: 0.05光電子

運用印加電圧での一光電子の電荷~80ADCと比べて十分小さい

低ゲイン出力 2000光電子まで
平均:2.2光電子

標準偏差: 0.7光電子

運用印加電圧での100光電子の電荷~500ADCと比べて十分小さい

高ゲイン、低ゲインそれぞれの出力チャンネルで低ノイズを実現

11運用電圧での一光電子分布とピーク電荷
一光電子ピーク電荷の分布測定された分布の一例
一光電子ピーク

運用電圧で一光電子を測定
高ゲイン出力チャンネルではS/N比が平均5以上を実現
要求性能を満たしている

12

入射光量に対する線形応答性
高ゲイン出力低ゲイン出力Linearity cur

運用電圧で測定

読み出し光量10 5

低ゲイン出力のノイズ領域

Charge [ mV x ns ]Charge [ mV x ns ]Linearity curve PMT1

NDフィルターにより入射光量を変化させながら高、低ゲイン出力
10 5で出力の線形性を評価
高ゲインと低ゲイン合わせて10 4 約３桁のダイナミックレンジを実現

10 4

高ゲイン出力の飽和領域
10 3

10 2

大気チェレンコフ光の10 3
広い強度の入力に対応

10 2
10−1

1

10
12

1010
100
1000
Relative
filter transparent
factor10−11

入射光量 (phe)
13Re

まとめ
2018年6月のファーストライトに向けて❉

大口径望遠鏡の運用に向け、日本は焦点面検出器の開発を主導してきた。

❉

235個のPMTモジュールが現地で組み立てられ、初号機に搭載される(265+5)PMTモジュール全てが性能評価を受けた。
❉

試験結果が望遠鏡の要求性能を満たしていることを確認。

❉

試験結果は過去の測定とも矛盾していない。

❉初号機の建設も順調に進んでいる。

❉

今後、完成した焦点面構造体を用いて265モジュール使用した焦点面検出器最終統合試験が予定されている。

2018年はCTAおよびラ・パルマ島に注目！
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