CTA 報告 216 :小口径望遠鏡用 64 チャンネル SiPM の暗電流の安定性試験
名大ISEE A, 名大KMI B
河原﨑琉 A, 奥村曉 A,B, 田島宏康 A,B, 古田和浩 A, 他 CTA consortium

日本物理学会第78回年次大会 2023/9/19

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Cherenkov Telescope Array (CTA)• CTA (南サイト) では大中小 3 種類の望遠鏡を配置する• 小口径望遠鏡は到来頻度の少ない 1 ~ 300 TeV の高エネルギー領域のガンマ線を観測し、70 台設置される
CTA 完成予想図
大口径望遠鏡 : 4 台
中口径望遠鏡 : 25台

小口径望遠鏡 : 70 台
画像提供: Gabriel Pérez Diaz, IAC / Marc-André Besel, CTAO

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小口径望遠鏡 (Small-Sized Telescope, SST) の焦点面カメラ• SST の 焦点面カメラでは 64 チャンネルの光検出器モジュー
ルを 32 個並べて 2048 チャンネルを構成する• 光検出器には SiPM を採用している (浜松ホトニクス S14521)
SiPM とは• アバランシェ・フォトダイオード (APD) セルを並べた光検出器• 降伏電圧 ( Vbr ) 以上の動作電圧を印加しガイガーモードで動作させる
64 Ch SiPM

SST 焦点面カメラ

APD セル

6 mm
30 cm
5 cm
1 セル : 50 μm × 50 μm
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本研究の動機と目的• SST は 3 種類の望遠鏡で最も台数が多く、多数の SiPM でチェレンコフ光を観測する• SiPM の不良時には 64 ch ごとの交換が必要である➡ SiPM の信頼性が重要• 過去の問題として SiPM の APD セルで暗電流が1桁増大した経験がある

不良の発生率と時間スケールの測定
SiPM の正常時の暗電流変化が観測に影響を与えないことの確認

長期にわたる多チャンネルの暗電流を測定する
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4リレー回路による暗電流の 64 チャンネル測定
全チャンネル HV 44 V を 同時印加

SiPM

SiPM

Relay

全 64 Ch

SiPM

Relay

Relay

Relay を用いた読み出しチャンネルの切り替え
1台の電圧計で測定

SiPM に直列に接続した100 Ω 抵抗の電圧降下から暗流を間接的に測定

測定条件• 64 ch の測定に 5 ~ 10 分の時間を要する• HV は 44 V で、CTA 観測で予定する Vbr + 約 5.5 V に設定( 浜松ホトニクスは Vbr + 3 V で試験 )• SiPM は恒温槽内に設置 (設定温度 25 ℃ )日本物理学会2023/9/19

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5測定した SiPM
• SiPMは実際に SST で使用を予定している「浜松ホトニクス S14521」を使用• 今後加速劣化試験を想定しているため、 Vbr が揃っていない不合格品• 不良を起こしそうな暗電流が最も多い ch を含む SiPM を測定( ※ 本講演の内容は全て不合格品の測定結果である)

合格品と不合格品の Vbr と暗電流の分布
64 ch SiPM

不合格品

合格品
表面保護用のカプトンテープは取り付けたまま測定

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64 ch 合計の暗電流の振る舞い

温度と電流値の相関

測定系の変更に応じて色を変えて表示
SiPM 付近の温度に伴う変化
10 μA

2.5 °C

Period 2
Period 1 (1 ch 分欠損)

測定期間の最も長い Period 2 の電流分布
平均：252.3 μA
標準偏差：0.924 μA• 測定系の変更時に暗電流が変化する• SiPM の温度によって暗電流が変化する• 同一の測定系で暗電流の変動は平均値に対して 0.37 %暗電流は CTA における夜光電流の 10% であり観測に影響はない
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個別チャンネルの暗電流の振る舞い
Ch A1

測定誤差：0.004 μA

他 52 ch は64 ch 合計と同様の振る舞い

平均：3.353 μA
標準偏差：0.016 μA

Period 2

測定誤差は十分小さい

Ch H6
電流の変化量が大きい

平均：3.280 μA
標準偏差：0.090 μA

Period 2

測定期間の最も長い Period 2 の電流分布
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8マルチモーダルな振る舞いをするチャンネル
測定誤差：0.004 μA

Ch B6
複数の電流値を行き来する

Period 2• マルチモーダルな振る舞いを 10 ch で観測• 遷移幅と遷移頻度はチャンネルごと異なる• 特定の APD セルに流れる電流が一時的に増減していると考えている
マルチモーダルな振る舞いは CTA 観測に影響はない
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9暗電流が増大したチャンネル (Ch D8)
Ch D8

測定誤差：0.004 μA
上昇後の振る舞い

約 10 倍の電流上昇上昇前の振る舞い•増大後の電流は CTA の夜光観測時の電流と同等•高頻度で遷移するバイモーダル分布が見られた➡ 増大した暗電流の原因の可能性があるため、増大前後のバイモーダルな振る舞いについて解析する
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10暗電流増大前のバイモーダル分布 (Ch D8)
Ch D8

State 2

測定誤差：0.004 μA

2つの State を行き来

State 1

State 1

State 2

遷移頻度 1.0 回/日0.06 μA

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11暗電流増大後のバイモーダル分布 (Ch D8)State 2Ch D8

Period 6

State 1

State 20.05 μA

測定誤差：0.004 μA

State 1

遷移頻度 1.2 回/日
前後

遷移幅0.06 μA

0.05 μA

遷移頻度1.0 回/日

1.2 回/日• 増大前後で遷移幅、遷移頻度が同等のバイモーダルな振る舞いが継続している➡ 電流増大とバイモーダル分布は別のAPDセルが原因と考えられる
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12まとめと今後の展望• 64 ch SiPM の暗電流を 1 ch ずつ長期間測定した• 64 ch 合計の暗電流の変動は平均値に対して 0.37% で、63 ch は CTA の観測に影響はない‣ 中には複数の電流値を行き来するチャンネルが存在する• Ch D8 の暗電流が夜光と同等まで増加した‣ 不良発生前の振る舞いとの因果関係を調査
D8

今後の予定
•Ch D8 のような増大が発生しないか SiPM を増やし 64 ch × 約 8 枚の観測を継続する•増大が CTA 観測に影響がないか調査する•温度条件を変更して、加速劣化試験を行う
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