CTA 報告 60
大口径望遠鏡の光検出器の開発
埼玉大学 永吉勤
猪目祐介A, 上野遥, 大岡秀行B, 萩野桃子B, 折戸玲子C, 片桐秀明D, 櫛田淳子E,窪秀利F, 郡司修一G, 小山志勇, 佐々木浩人A, 澤田真理H, 高橋光成B, 田中駿也D,
手嶋政廣B,I, 辻本晋平E, 坪根善雄H, 寺田幸功, 中嶋大輔B, 西嶋恭司E, 花畑義隆B,林田将明B, 馬場彩H, 山本常夏A, 他 CTA-Japan Consortium
埼玉大理, 甲南大理工A, 東大宇宙線研B, 徳島大総科C, 茨城大理D, 東海大E, 京大F,山形大理G, 青山大理工H, Max-Planck-Inst.fuerPhys.I

大口径望遠鏡用焦点面カメラ

大口径望遠鏡
観測帯域 : 20 GeV – 1 TeV

48 cm分割鏡→ 報告63:馬場
400 m228 m

Mainamplifier+Trigger

7 PMT UNITs+DRS4 read out Board

読み出しボード→ 報告61:土屋

23 m

PMT
焦点面カメラ直径 : 2.5 m
1855 pixel → PMT

高電圧回路 プリアンプ基盤
浜松ホトニクスと共同開発

PMT の要求値と性能評価試験状況
項目 (一部抜粋)

要求値

ゲイン

4×104

量子効率

@ 高圧値範囲 850 – 1250 V> 35 % @ peak

試験状況

検証済みOK> 25% @ folded 260-600 nm

検証済みOK

パルス幅< 3.0 ns (FWHM)

検証済みOK

T.T.S.

< 1.3 ns (FWHM) @ 1 p.e.

検証済みOK

Afterpulse発生確率< 0.02 % @ >4 p.e.

Afterpulseに関して改良を加えたPMTを製造

PMT の要求値と性能評価試験状況
項目 (一部抜粋)

要求値

ゲイン

4×104

量子効率

@ 高圧値範囲 850 – 1250 V> 35 % @ peak

試験状況

検証済みOK> 25% @ folded 260-600 nm

検証済みOK

パルス幅< 3.0 ns (FWHM)

検証済みOKT.T.S.

< 1.3 ns (FWHM) @ 1 p.e.

検証済みOK

Afterpulse発生確率< 0.02 % @ >4 p.e.

改良後で
未検証

Afterpulseに関して改良を加えたPMTを製造

目的 : 改良を加えたPMTのAfterpulseを測定

Afterpulseについて→ 電子とPMT内の残留ガスが衝突し正イオン生成され、イオンフィードバック現象により生じる疑似パルス→ 望遠鏡のエネルギー閾値劣化の要因→ Requirement

Afterpulse Event%[]
Afterpulse 発生確率 =p.e
Total Event・Primary Pulse Charge.

< 0.02 % @ 4 p.e. 以上の大きさをもったAfterpulse
Primary Pulse

Afterpulse
1 μs到着時間-数百 ns ~ 数 μs の範囲に分布-フィードバックするイオン種類でAfterpulseの到着時間が異なる-電子と残留ガスの衝突確率
発生確率 ∝ 電子数 ∝ ゲイン→ ゲインによって変化するおそれ測定項目

1. 改良前PMTと改良後PMTの性能を比較
1-1. Afterpulse 発生確率を測定
1-2. Afterpulse 到着時間を測定
2. 改良後PMTのAfterpulse発生確率をゲインをかえて測定

Set upLED driverBLUE LED
Pulse Generator

Light source
1 kHz PMT UNIT
Voltage Supply HV control

オシロスコープ/
読み出しボードComputer

改良前 : ZQ27212

Afterpulse発生確率= 0.026 % @>4p.e.
↓ requirement 0.02 %@ > 4p.e.

Afterpulse Threshold [ p.e. ]Threshold : 4p.e.

Cumulative Afterpulse Probability [ % / p.e. ]Cumulative Afterpulse Probability [ % / p.e. ]測定結果 1-1.
改良前と改良後のAfterpulse発生確率の比較
改良後 : ZQ5851

Afterpulse発生確率= 0.0031 % @>4p.e.
↓ requirement 0.02 %@ > 4p.e.

Afterpulse Threshold [ p.e. ]Threshold : 4p.e.

改良前 : ZQ27212

Afterpulse発生確率= 0.026 % @>4p.e.
↓ requirement 0.02 %@ > 4p.e.

Afterpulse Threshold [ p.e. ]Threshold : 4p.e.

Cumulative Afterpulse Probability [ % / p.e. ]Cumulative Afterpulse Probability [ % / p.e. ]測定結果 1-1.
改良前と改良後のAfterpulse発生確率の比較
改良後 : ZQ5851

改良後は一桁減り、要求値を満たす

Afterpulse発生確率= 0.0031 % @>4p.e.
↓ requirement 0.02 %@ > 4p.e.

Afterpulse Threshold [ p.e. ]Threshold : 4p.e.

改良後 : ZQ5851

160
120

H+H+

CH4+

50

40He+

00He+

80

CH4+

0.5

11.5

22.5

Primary Pulse

30200

250 [Num]

改良前 : ZQ2712

100

150

200 [Num]

測定結果 1-2.
改良前と改良後のAfterpulse到着時間の比較

3.5 4 0[ μsec ]

0.5

11.5

22.5

Primary Pulse

33.5 4[ μsec ]改良後 : ZQ5851

CH4+ 由来のAfterpulseが減っている

160
120

H+H+CH4+50

40He+00He+

80

CH4+0.5

11.5

22.5

Primary Pulse

30200

250 [Num]

改良前 : ZQ2712

100150200 [Num]

測定結果 1-2.
改良前と改良後のAfterpulse到着時間の比較

3.5 4 0[ μsec ]

0.5

11.5

22.5

Primary Pulse

33.5 4[ μsec ]2. ゲインをかえた場合のAfterpulse発生確率- 改良後PMTのZQ5851, ZQ5853, ZQ5861を測定- 予想される高電圧のオペレーション範囲より高めの1000 V, 1100 V, 1200 V, 1300 V の場合のゲインで測定
PMTの各高圧値でのゲイン

1000 V

1100 V

1200 V

1300 V

ZQ5851

7.9×104

1.6×105

2.9×105

4.9×105

ZQ5853

6.9×104

1.4×105

2.8×105

4.9×105

ZQ5861

8.0×104

1.7×105

3.0×105

5.0×105

測定結果 : ZQ5851
Cumulative Afterpulse Probability [ % / p.e. ]Requirement : < 0.02%

0.00383 [%/p.e.] @gain 7.9×1040.00341 [%/p.e.] @gain 1.6×105
0.00542 [%/p.e.] @gain 2.9×105
0.00421 [%/p.e.] @gain 4.9×105

10-210-3

4 p.e.

After Pulse Threshold [ p.e. ]測定結果 : ZQ5853
Cumulative Afterpulse Probability [ % / p.e. ]Requirement : < 0.02%0.00383 [%/p.e.] @gain 6.9×1040.00341 [%/p.e.] @gain 1.4×1050.00542 [%/p.e.] @gain 2.8×1050.00421 [%/p.e.] @gain 4.9×105

10-210-3

4 p.e.

After Pulse Threshold [ p.e. ]測定結果 : ZQ5861
Cumulative Afterpulse Probability [ % / p.e. ]Requirement : < 0.02%

0.00383 [%/p.e.] @gain 8.0×104
0.00341 [%/p.e.] @gain 1.7×105
0.00542 [%/p.e.] @gain 3.0×105
0.00421 [%/p.e.] @gain 5.0×105

10-210-34 p.e.

After Pulse Threshold [ p.e. ]Afterpulse発生確率 のゲイン依存性

Requirement

Afterpulse Probability @> 4 p.e. [ % / p.e. ]0.020.016
0.012
0.008

直線の傾き

ZQ5851 : (1.9±3.2)×10-9 %/p.e./gain
ZQ5853 : (0.65±2.1)×10-9 %/p.e./gain
ZQ5861 : (3.5±3.0)×10-9 %/p.e./gain
若干の依存性は見られるが、統計的に有意でない

0.004
1×105

2×105

3×105

GAIN

4×105

5×105

Afterpulse発生確率 のゲイン依存性

Requirement

Afterpulse Probability @> 4 p.e. [ % / p.e. ]0.020.016
0.012
0.008直線の傾き

ZQ5851 : (1.9±3.2)×10-9 %/p.e./gain
ZQ5853 : (0.65±2.1)×10-9 %/p.e./gain
ZQ5861 : (3.5±3.0)×10-9 %/p.e./gain
若干の依存性は見られるが、統計的に有意でない

0.004
1×105

2×105

3×105

4×105

5×105

GAIN

測定した範囲のゲインで要求値を満たしたまとめ- 背景
Afterpulseに関して改良したPMTを製造
本研究は改良後PMTの、Afterpulseを測定した- 結果-- メタンイオン由来のAfterpulseが取り除かれていた-- 改良後PMTは予想されるオペレーション範囲で要求値を満たす

今後のスケジュール
2011

2012

デザイン決定

2013

2014
製作期間

2015
大口径望遠鏡
第一号機建設- 改良後PMTは現在すでに量産体制に入っている
本年度1200本納品済み
来年度1000本納品決定- 較正試験系を開発中
1855PMTs × 4(大口径望遠鏡) × 2 (観測ステーション)= ~16000 PMTs
→ 効率の良い試験系が要求される