CTA報告185︓CTA⼤⼝径望遠鏡⽤PMTの増幅応答に対する磁場と⼊射光波⻑の効果の調査
⽇本物理学会2021年秋季⼤会
2021年9⽉14⽇

⼩林志鳳A, 猪⽬祐介A, 岩村由樹A, ⼤岡秀⾏A, 岡知彦B, 岡崎奈緒A, 奥村曉C, D,折⼾玲⼦E, ⽚桐秀明F, 櫛⽥淳⼦G, 窪秀利B, 郡司修⼀H, 齋藤隆之A, 櫻井駿介A,
佐々⽊寅旭I, 砂⽥裕志I, ⾼橋光成A, ⽴⽯⼤I, ⽥中真伸J, ⼿嶋政廣A, K, 寺⽥幸功I,⾨叶冬樹H, 中森健之H, ⻄嶋恭司G, 野上優⼈F, 野崎誠也B, 野⽥浩司A,Daniela HadaschA, Daniel MazinA, K, ⼭本常夏L, 吉⽥⿓⽣F,
他 CTA-Japan Consortium

東⼤宇宙線研A, 京⼤理B, 名⼤ISEEC, 名⼤KMID, 徳島⼤理⼯E, 茨城⼤理F, 東海⼤理G,⼭形⼤理H, 埼⽟⼤理I, KEK素核研J, マックスプランク物理K, 甲南⼤理⼯L

本調査の⽬的¤ CTA⼤⼝径望遠鏡(LST)⽤PMTの応答を深く理解する。
LSTでは問題にならない細かい話であるが、将来の実験に役⽴つかもしれない。
光電⼦の運動の違いが増幅過程に与える影響に着⽬し、以下の項⽬を調査。

1. PMT応答の磁場依存性••••

光電⼦の軌道が磁場に曲げられる→ PMT応答の変化が予想される。
LST-1の試験運転で、PMT応答の地磁気との相関が⽰唆されている。
実験室での測定による理解の必要。
地磁気下での精密な光量測定に有⽤(特に現地での較正が難しい場合)。

2. 収集効率の⼊射光波⻑依存性••

LST-1の試験運転で⽰唆された地磁気によるゲイン変化

前回物理学会(⼩林)

光電⾯
⾚の光⼦

e-ダイノード

光電⼦の収集効率に光電⼦の運動量の⼤きさに違い
⻘の光⼦運動量に違い違いが現れる︖→ 増幅過程、特に収集効率の変化がe期待される(⼀光電⼦電荷分布の変化)。
⼀光電⼦レベルの測定での※ただし、波⻑によって光電⼦が光電⾯を⾛る厚みが違うため、トリガー閾値の調整などに有⽤。
運動量の違いはそれほど単純ではない可能性がある。
21. 磁場依存性測定

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て磁場依存性の測定系
測定系ダイヤグラム
トリガーフィルター
ホイール

中⼼波⻑
405 nm

暗箱
コイル

オシロ
スコープ

HV
1050 V, 1400 V

PMT

レーザー
電源

ライドガイド、磁気シールド有り

y

Dy2
Dy2

Dy1
⦿ x

していす。

PMT電源
(プリアンプ、HV⽤)

磁場印加磁場の向きとPMT内部構造の対応

PC

電源(コイルへの電流)y
ローレンツ⼒の⽅向x

Dy1

LST1⽤PMT(8段ダイノード, R11920-100)
LST2-4⽤PMT(7段ダイノード, R12922-100)の両⽅を測定。

光電⾯側から磁場の印加⽅向⾒た図4磁場依存性の測定系(写真)5電流と磁場の対応付け¤ コイルの電流を変えながらコイル間の磁場を測定。
¤ 電流と磁場は期待通り⽐例関係。

データのフィットで得られた傾き2.43043(3) mT/A
理論予測値

磁場 [mT]¤ 傾きは理論値と6％の範囲で整合。

2.57 mT/A※コイルの諸量

巻き数 N = 280
半径 r = 8 cm
間隔 d = 10.5 cm

電流 [A]¤ 測定系の地磁気は -0.01 mT 程度。
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データ取得と解析¤ 検出光電⼦数~600程度の光量で、印加磁場ありとなしを繰り返し測定。
(1ラン = 500 or 1000イベント、2ラン毎に切り換え。)¤ 40 nsの時間幅、固定位置で波形を積分して電荷を計算。
¤ 印加磁場ありでの電荷を前後の印加磁場なし電荷と⽐較し、相対的な電荷の変化を⾒積もる。(さらに複数サイクルで平均。)¤ このような測定を磁場強度を変えて繰り返す。
8段ダイノードPMT, B = 0.15 mT の例

電荷[mV * ns]

印加磁場なしこの差分を磁場による変化として⾒積もる

印加磁場あり7系統誤差の⾒積もり¤ 系統誤差の⾒積もりのため、印加磁場なしのデータを集め、電荷の揺らぎを調べた。
ある１⽇の測定の例

全ての印加磁場なしデータの電荷

標準偏差 0.8％

2ランごとの平均電荷

標準偏差 0.8％

middle-termの変化

標準偏差 0.3％

short-termの変化

標準偏差 0.2％(2段⽬の差分の相対値)(1段⽬の差分の相対値)

各磁場なし区間内(2点)での変化

各測定⽇のデータを⾒ても同様の結果であり、磁場による電荷変化の系統誤差を0.3%と⾒積もった。

時間8¤ -0.3 mTから0.3 mTの磁場の範囲を測定し、PMTの出⼒電荷の変化を約0.3%の精度で求められた。

電荷[相対値]

磁場依存性測定の結果 @1400 V¤ 磁場が⼤きくなると、向きの正負によらず電荷は減少。

¤ 1400 VではLST-1と8段ダイノードPMTの結果は変化の向きは整合しなかった。
¤ 8段ダイノードPMTと7段ダイノードPMTの依存性は異なることがわかった。
浜松ホトニクスの測定でも同様に8段と7段が異なる傾向が確認された。
前段部の構造は同じなので、後段も影響すること⽰唆している。

8段ダイノードPMT

PMT2本
計4回測定

LST-1で⽰唆された依存性磁場[mT]
電荷[相対値]¤ 地磁気レベルの磁場(±0.03 mT)でも0.7%程度の電荷変化が起こる得ることがわかった。

LST1データの地磁気範囲

7段ダイノードPMT

PMT2本計3回測定

磁場[mT]
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HVの磁場依存性への影響¤ HVを1050 V(おおよそLST-1の運⽤電圧)にして8段ダイノードPMTを2本測定し、1400 Vでの結果と⽐較。

LST1データの地磁気範囲
ZQ79801050 V1050 V

1400 V
1400 V¤ ⼀⽅のPMT(ZQ7980)では、B=0 mT付近での傾きが反転し、LST-1の結果と整合する傾きとなった。

LST-1で⽰唆された依存性¤ ⼀⽅のPMT(ZQ7568)では、HVによる磁場依存性の変化は確認できなかった。
¤ HVは磁場依存性に影響し得るが、その影響の仕⽅が単純ではないと考えられる。

ZQ75681400 V
1400 V1050 V1050 V¤ LST-1と実験室測定の⽐較のためには、今後このHVの影響を理解する必要がある。
¤ 初段ダイノードの電圧はHVによらず⼀定なので、後段も影響することを⽰唆。
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2. 収集効率の波⻑依存性測定11調査の⽅法¤ 中⼼波⻑が⻘(405 nm)の⼊射光と⾚(658 nm)の⼊射光で、それぞれ⼀光電⼦の出⼒電荷分布を測定し、⽐較する。
トリガー

中⼼波⻑
⻘︓405 nm
⾚︓658 nm

フィルター
ホイール

マスク
~0.1 光電⼦
HV = 1400 V

暗箱

オシロ
スコープ

USBメモリ

PMT
レーザー
電源

フィルター
ホイール

マスク

PMT

ライトガイドなし
LST-1⽤(８段ダイノード)

マスクのピンホール
直径 1 mm

PMT電源(プリアンプ、HV⽤)

PMT側から⾒たマスクのピンホール

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波形解析
¤ ⼊射光を遮蔽して取得したデータの平均波形を使ってベースラインを補正。

積分範囲

⻘レーザー
平均波形

¤ さらに各イベントで、パルスより前の部分(最初の10 ns)のデータを使ってベースラインのオフセットを補正。
¤ ⼀光電⼦データの平均波形のピーク時刻を調べ、その周り4 nsで各イベントの波形を積分して電荷を計算。

積分範囲

⾚レーザー
平均波形

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⼊射光波⻑依存性測定の結果¤ ⼀光電⼦の電荷分布のピークよりも低電荷側で⼊射光の波⻑によるものと考えられる違いが⾒られた。
¤ ピークの電荷を1 p.e.としたとき、x p.e.からy p.e.に⼊るイベント数をN(x-y)と定義し、分布の形の指標として
r = N(0.15-0.30)/N(0.15-1.50)を定義すると、
r(Blue) = 0.070-0.077,. r(Red) = 0.064-0.068 であった。
(値の幅は10万イベント×4回のデータセットで得られたばらつき)
出⼒電荷分布0 p.e.

⻘のデータ
⾚のデータ
1 p.e.
0.15-0.3 p.e.
0.15-1.5 p.e.

⼊射光が⻘の時の⽅が電⼦が増幅がされにくいことを⽰唆。
光電⼦の運動量が⾼いと増幅されにくいと解釈できる。
※この異なる成分が0 p.e.側から⽣じている可能性もあり、今後スペクトル形状の詳細な⽐較が必要。
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まとめと今後の展望
CTA⼤⼝径望遠鏡⽤PMTの増幅応答のより深い理解のため、光電⼦の運動に着⽬し、磁場と⼊射光波⻑の効果を調査した。

1. PMT出⼒電荷の磁場依存性¤ -0.3 mTから0.3 mTの磁場をかけて出⼒電荷の変化を調べ、地磁気レベルの磁場でも0.7%程度の変化があることがわかった。
¤ HVは磁場依存性に影響し得ることがわかった。ただし単純な依存性ではなさそう。LST-1との⽐較のためにも、引き続きHVの影響の調査が必要。
¤ 8段ダイノードPMTと7段ダイノードPMTの磁場依存性は異なることがわかった。HVの影響と合わせて後段での影響も⽰唆しており、今後要調査。

2. 収集効率の⼊射光波⻑依存性¤ ⻘と⾚の入射光で⼀光電⼦の出⼒電荷分布を⽐較し、⻘の場合の⽅が低電荷側のイベントが多いことがわかった。これは光電⼦の運動量の違いにより解釈できるが、今後さらにスペクトル形状をより詳細に調査したい。
¤ さらにPMTの統計を増やす、不確かさを詳細に評価するなどしたい。
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