CTA報告 181：
大・中口径望遠鏡カメラSiPM化に向けた、集光器への多層膜蒸着による夜光低減の検討
芳賀純也A ,奥村曉AB, 田島宏康A
名大ISEEA , 名大KMIA

日本物理学会

第76回年次会大会 3/14
1

CTA計画
CTA : Cherenkov Telescope Array

LST + MST

次世代のガンマ線天文台
・大中小の望遠鏡を配置
・現行の望遠鏡に比べ、・10倍の感度向上

10倍・広いエネルギー領域（20 GeV - 300 TeV）
現在の詳しい開発状況は「CTA報告172：全体報告」を参照

The CTA Consortium(2019)

LSTとMSTの焦点面カメラでは光電子増倍管（PMT）が採用されている。

大口径望遠鏡(LST)

中口径望遠鏡(MST)

南サイトの完成予想図
写真提供：Gabriel Pérez Diaz, IAC / Marc-André Besel, C2将来的なLST・MSTのカメラSiPM化
我々は将来的な展望として、半導体光検出器

100300400500600

700

800

900

1000
1.2

Cherenkov light

90 理想的なフィルター

Dark NSB

80

1Direct Moonlight
チェレンコフ光70

PDE of PMT

SiPM

50

Nakamura et al.(2019)

0.8

PDE of SiPM

60

Photon flux [a.u.]

PDE[%]（Silicon PhotoMultiplier , SiPM）の採用を検討している。

0.6

月光

40

夜光
30

0.4

PMT

200.2

10

SiPMの利点

0300

400

500

600

700

800

0900
1000
wavelength[nm]・PMTに比べ高い光検出効率 →チェレンコフ光の検出量が1.5倍
・受光量に起因する劣化が起きないため月光下での観測が可能となる。→ 観測時間の拡大

SiPMの短所
・PMTに比べ、長波長の夜光への感度が高い → 夜光検出量が4.7倍→チェレンコフ光の夜光に対するSN比の悪化→550 nm程度にカットオフを持つフィルターが必要

3

バンドパスフィルター
先行研究の例
1.MAGIC（ガラスによる吸収型）

M.L.Ahnen et al. (2017)

1の長所と短所◯：長波長の光をほとんど落とすことが可能❌：カットオフ位置の調整が困難❌：つけ外しの手間があり、台数の多いCTAでの運用は現実的でない

2.SST-1M（多層膜による反射型）

https://www.cta-observatory.org/cta-prototype-telescope-sst-1m-catches-first-glimpse-sky/

2の長所と短所◯：カットオフ位置の調整が可能❌：オプティカルクロストーク（OCT）の増加❌：LST・MSTでの使用に向けた巨大化は技術的に困難

第３の手法として、集光器への多層膜蒸着による手法が製作技術的に可能かを検討した

4

集光器（Light Collector）

集光器の役割・焦点面での不感領域を減らす。
・望遠鏡の主鏡以外からの入る光（バックグラウンド）を低減
・長波長の夜光を吸収（本研究）A.Okumura (2012)

試作集光器

Collection efficiency of cone of LST

θang/2

Collection Efficiency (%)

LST集光器100・表面の反射率80・検出効率100％100％

60

集光器へのθang/2 ≈ 30 ˚
まで高い集光効率を持つ

40Cone of LST

200510152025

303540Incident Angle (deg)ROBASTを用いた集光効率シミュレーション

5多層膜設計
反射率[%]
Reflectance (%)

理想的な反射率100

Al = 15 nm

LST

従来

本研究

80

Al = 10 nm

短波長

長波長

短波長

長波長

60吸収!!
Al = 5 nm
Al = 10 nm
Al = 15 nm
65 layer design
conventianl designidel reflectance

40200300

400500

Al = 5 nm
65層の多層膜

600700800900

反射

反射Al 反射Al
基板

10001100
Wavelength (nm)・数十層の多層膜で理想に近い反射率を原理的には実現可能（例：65層）。
しかし総膜厚が大きく、基板の変形や製作費用の増大を招く→総膜厚を抑えたフィルターが必要
本研究・アルミ（Al）層を2層持つ、550 nm以上の光を吸収する計8層の新しい多層膜を提案し（東海光学）、それを蒸着した集光器が技術的に製作可能かを確かめた。
・試作品（Al層膜厚15 nm）の集光率、検出量のシミュレーション結果などを報告する
6

θang/2

集光器内面に成膜した場合の集光効率

reflectance[%]
反射率[%]

異なる入射角度に対する反射率
100

従来80

δ = 50 ˚

本研究60

δ = 65 ˚

Collection Efficiency (%)
集光効率[%]

光線追跡シミュレーターROBASTを用いたシミュレーション結果

δ

異なる波長に対する集光効率

100
9080400nm
従来

550nm706050本研究

800nm

404030δ = 80 ˚
2020100300400500

6007008009001000
1100
wavelength[nm]

波長 [nm]50 - 80 ˚程度の入射角度範囲で従来に比べ長波長の反射率を落とすことを確認した。

00510152025303540
Incident angle for cone (deg)θang/2（deg）

多層膜を蒸着した集光器は、短波長では従来のコーティングと同程度の集光効率が得られ、長波長で集光効率を落とすことがわかった。

この集光効率に加え、望遠鏡（LST）の要素を考慮して検出量の概算を求める

7

1.PMTの量子効率（QE）の入射角度依存性
2. SiPM表面薄膜の反射率の入射角度・波長依存性

Relative Anode Sensitivity

検出量を求める上で考慮した点
11.3
1.2
1.1
10.9

3.望遠鏡の焦点面への入射角度分布

QEの入射角度依存性

0.8→集光器への入射角度分布0.7Reflectance(%)−90−60−300306090Angle of Incidence (deg)Reflectance of SiPM's multilayer(400 nm)

21.2

130.8

number of incident photons from theta=1.5(averaged by phi)

0.4

4000

SiPM表面薄膜の入射角度依存性−1003500−50050100Incident angle(deg)Reflectance of SiPM's multilayer(0deg)

3000
Reflectance(%)

number of photons

0.62500
2000

SiPM表面薄膜の5045

波長依存性4035301500

25201000

15500

10500510152025303540incident angle(deg)0300

400500600700800900
1000
wavelength(nm)8多層膜案ごとの検出量のシミュレーション結果
Moonlight spectrum(top of atmosphere)
月光のスペクトルデータ

0.45
1800.4160-60.35

1400.3

チェレンコフ光

0.25Core distance : 120 m
標高：2000 m

0.2

2

NSB (La Palma)

120
100

夜光(La Palma)

ガンマ線エネルギー：20 GeV

NSB Photon[/nm/ns/m /sr]2

Cherenkov Photon [/nm/m ]Cherenkov (500GeV)

80

C.Benn et al.(2007)

60

0.15
40
0.1
0.05

spectral Irradiance(10 W/m2 nm)

Cherenkov and NSB spectrum are compared
チェレンコフ光と夜光のスペクトルデータ
300
400
500
600
700
800
900
1000
2.82.62.42.22
1.8
1.6

月光(直接光)：CE Cramer et al. (2016)

1.4

Phase : 80 %Moon separation : 25 ˚

20300

400

500

H.Mathieu et al.(2016)(PMT)
従来(SiPM)本研究(SiPM)

600
700
wavelength[nm]

800

900

1000

0400

500

600

700

800

900
1000
wavelength(nm)チェレンコフ光(20GeV)

夜光月光

S/N（月光なし）

S/N（月光あり）[phe/cone][phe/cone/5ns][phe/cone/5ns]

相対値

相対値

1.4—

1.4—

34.9

6.6 0.7倍 👍

58.3

1.0 1.1倍 👍

1.0

31.6

4.7

44.9

1.1

1.01.5倍 👍

23.0

1.4倍 👍

4.7倍

0.8倍 👍・光検出器のSiPM化によってチェレンコフ光の検出量は1.5倍、夜光検出量は4.7倍となる。
・本研究のフィルターで、チェレンコフ光は1.5倍から1.4倍に減ってしまう。
・夜光を0.7倍に低減することができ、SN比が改善される。

9多層膜案ごとのS+NS=

S + N /Sの比較

チェレンコフ光+夜光の検出量(5ns)エネルギー 分解能の大小関係を見ることができる

チェレンコフ光の検出量※実際には読み出し回路のノイズやS ∝ ガンマ線エネルギーOCTを考慮する必要あり

S + N :全検出量の揺らぎ

LST cone(SiPM)の場合の値に対する相対値の1.2

月光（NSB×100）
1

月光（NSB×20）

値が小さいほど良い

0.6

月光（NSB×12）

本研究(SiPM)
LST cone(SiPM)

月光（NSB×6）
通常夜光量（NSB×1）

S+N/S

1.04

relative

S+N/S

0.8

比較

1.06

1.0210.4

LST cone(SiPM)
0.98

0.2

00.96
102

本研究(SiPM)
10102

gamma-ray energy(GeV)

gamma-ray energy(GeV)

月光量が少ない場合、本研究のフィルターを使用することで値は悪化することがわかった。
月光量が少ない場合ではシグナルがノイズに比べ十分に多いため、1/集めることが求められる。改善にはカットオフ位置の調整が必要。

S に比例し、より多くのシグナルを10

試作品
本研究(Al =15 nm)

reflectance[%]

LST cone

設計値と測定値の比較
100
90
8070

設計値(Al=5nm)60

測定値(Al=15nm)

50
40
30

設計値(Al=5nm)

20

測定値(Al=5nm)

10200

400

600

800

1000
wavelength[nm]東海光学によってAl層（膜厚15 nm）を含んだ多層膜を蒸着した集光器の試作が完成し、技術的に製作可能であることが明らかになった。今後実測を行い、性能評価を行う予定。
今後の課題・短波長での反射率低下の改善。
・Al層が15 nmより薄い場合での膜質の維持
11まとめと展望
まとめ・本研究では、集光器への多層膜蒸着を用いた夜光低減の検討を行なった。
・集光器への多層膜蒸着による手法は技術的に可能であることが明らかとなった。
・2つのAl層を持つ計8層の新しい多層膜を提案し（東海光学）、夜光の検出量を30 %程度低減が期待される。

展望・実測を行い、試作の性能評価
・多層膜設計の改善

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