CTA大口径望遠鏡初号機用カメラの試験状況と2号機以降用読み出し回路の開発
野崎誠也、窪秀利、今野裕介、齋藤隆之、谷川俊介、増田周（京大理）、石尾一馬、大岡秀行、櫻井駿介、高橋光成、手嶋政廣、中嶋大輔、林田将明、Daniela Hadasch、 Daniel Mazin（東大宇宙線研）、猪目祐介、岸田柊、山本常夏（甲南大理工）、奥村曉（名大ISEE）、折戸玲子（徳島大理工）、片桐秀明、吉田龍生、Dang Viet Tan（茨城大理）、木村颯一朗、櫛田淳子、辻本晋平、友野弥生、西嶋恭司（東海大理）、郡司修一、中森健之、武田淳希（山形大理）、小山志勇（ISAS/JAXA）、田中真伸（KEK素核研）、寺田幸功、永吉勤、西山楽（埼玉大理工）、馬場彩（東大理）、他CTA-Japan consortium、池野正弘，内田智久（KEK素核研、OpenIt）

CTA大口径望遠鏡（LST）• CTAでは、高エネルギーγ線による大気シャワーで生成した電子・陽電子が発するチェレンコフ光を複数の望遠鏡で観測• LSTは20GeV-1TeVに焦点を当てた口径23mの望遠鏡• 南北サイトに4台ずつ設置し、全天観測• LST初号機@北サイト（スペイン・ラパルマ）は今年11月にファーストライトを迎える
有効径2.2m

このイメージは、現在表示できません。

LST
視野4.5度大気シャワー

120t

23m
300m

28m

1855
ピクセル

焦点面カメラ×265モジュール
光電子増倍管(PMT)×7 読み出し回路基板

PMTモジュール

1

PMTモジュールの構成
1光電子波形・チェレンコフ光のパルス幅…2-3nsec
・平均で約3-4nsecに1回の割合で夜光バックグラウンドが入射してしまう
スローコントロール ボード
・PMT HV制御
・テストパルス生成 etc

約3nsec

バックプレーン ボード
・24V電源供給・トリガー＆クロック分配

35cm

PMTユニット
PMTユニット

1モジュールあたり7本・ピクセルサイズ：0.1度、50mm
・時間分解能：1.3ns以下

信号読出し回路
PMTユニット内に・CW-HV回路
・プリアンプも備えている

信号読出し回路

アナログメモリASIC”DRS4”を採用
・1GHz高速サンプリング→夜光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読出し→低消費電力(約130mW/PMT1ch)
・4μsecのメモリ深さ
PSI研究所がMEG実験用に開発

9mm
9mm

2

LST初号機用カメラの試験状況～2016年6月
19モジュールでの試験@日本

PMTと読出し回路単体での全数品質管理はすでに完了
19モジュール（133ピクセル）で構成される1/14モデルのミニカメラでの試験を2回行い、38モジュールの性能評価を行ったセットアップPMTモジュール×19(133ピクセル）
ノイズ分布
標準偏差~
0.2光電子Pedestal Sigma

暗箱

1光電子スペクトル
重ね合わせ
S/N>4

フィルター
アテネーションファクター
Chargeー 他の試験項目 ー・リニアリティ測定
・印加電圧vs増幅率 測定
・Level0・Level1トリガーレート測定 etc

試験した38モジュールすべて要求値を満たすことを確認3

LST初号機用カメラの試験状況
2016年7月～
35モジュール
での試験@スペイン

日本での19モジュールミニカメラ試験を行ったもののうち、35モジュールをCIEMAT(スペイン)に輸送し、LST用カメラ筐体を用いて、トリガー関係の試験を行った
トリガー(1)各ピクセルと、隣り合う6つのピクセルの信号を組み合わせて、各ピクセルでトリガー信号を生成
カメラ中心のピクセル

LST用
カメラ筐体

トリガー
インターフェース
ボード

4

LST初号機用カメラの試験状況
2016年7月～
35モジュール
での試験@スペイン

日本での19モジュールミニカメラ試験を行ったもののうち、35モジュールをCIEMAT(スペイン)に輸送し、LST用カメラ筐体を用いて、トリガー関係の試験を行った
トリガー(2)トリガー信号を、カメラ中心のピクセルを経由し、トリガーインターフェースボードに伝達
カメラ中心のピクセル

LST用カメラ筐体

トリガー
インターフェース
ボード5

LST初号機用カメラの試験状況
2016年7月～
35モジュール
での試験@スペイン

日本での19モジュールミニカメラ試験を行ったもののうち、35モジュールをCIEMAT(スペイン)に輸送し、LST用カメラ筐体を用いて、トリガー関係の試験を行った
トリガー(3)トリガーインターフェースボードからカメラ中心のピクセルを経由して、全ピクセルにトリガーを分配
カメラ中心のピクセル

LST用カメラ筐体

問題なくトリガー分配できていることを確認

トリガーインターフェース
ボード

6

LST初号機用カメラの試験状況
2017年1月ｰ5月
19モジュール単位で245モジュールを試験@現地機関(IAC(スペイン))

6ｰ8月
カメラ統合試験@IFAE(スペイン)

PMT、回路基板を現地機関(IAC(スペイン))に輸送し、モジュールの組み立て＆19モジュール単位での試験を行っている

10月下旬
望遠鏡への取り付け2017年11月
ファーストライト予定

LST用トリガーインターフェースボード(TIB)

全PMTモジュールの組み立て

2.5m

1.0m

1.5m

1.5m

大型の暗箱を使用－試験項目－
・LST用TIBを用いたデータ取得試験
・ペデスタル測定
・リニアリティ測定
・印加電圧vs増幅率 測定
・1光電子スペクトル測定
・Level0,Level1トリガーレート測定

7

LST2号機以降用読出し回路の開発• LST2-8号機用の読み出し回路基板の試作機を作成し、試験中– アナログメモリDRS4のタイミングキャリブレーション用sin波生成回路の追加– 温湿度センサー&電圧モニター回路の追加
メインアンプ

DRS4

DRS4タイミングキャリブレーション用sin波生成回路

PMT×7からの信号

電圧モニター回路

温度計

FPGA
ADC

温湿度計

8

DRS4タイミングキャリブレーション
アナログメモリ”DRS4”チップ

キャパシタ(1024個)/1ch・1024個×9chのスイッチトキャパシタアレイ
・1nsecごとにスイッチON/OFF切替え（1GHzサンプリング時）→スイッチ切替え時間にばらつきが存在する
2-8号機用読み出し回路ではsin波生成回路を搭載

input×9ch

低速(30M)
読出し

サンプリング時間間隔

1ns

電荷分解能
6.8%

黒点：データ点
赤線：fit関数

時間ずれを求められる

テストパルス電荷積分

要求値
5%@1000光電子

0ns

2ns

数100psecずれている
セルが存在する

ns×ADC

サンプリング時間間隔のキャリブレーションが必要

9DRS4タイミングキャリブレーション用sin波生成回路
Time cal.回路ブロック図
ローパスフィルター
（RLC）

オシレータ
(30MHz)コマンドでON/OFF可能

・・FPGA

・・33nsec

生成sin波
周期+404mV

DRS4・・・×8

DRS4入力波形

テストパルス電荷積分33.33ns→30MHz

3次高調波成分まで含めてfit-各成分の波高値-

30M:458mV
60M:0.60mV(0.1%)
90M:3.77mV(0.8%)

キャリブレーション前
キャリブレーション後

電荷分解能
電荷分解能

電荷分解能の向上で、・エネルギー分解能の向上
・S/N比の向上が期待される

6.8%
6.8%
↓2.1%

ns×ADC

LST初号機では、読出し回路の外付け回路を用いて較正を行う

10温湿度センサー&電圧モニター回路• FPGAを経由して温湿度、電圧情報を取得
緑ークロック
紫ーデータ

データ取得中の温度変化

赤：レギュレータ付近
青：アンプ付近
アドレス コマンドデータ

その他の変更点・基板上のLEDのON/OFF機構の追加
・FPGAデバッグ用ユニバーサルピン追加
・24V用バイパスコンデンサーのサイズ縮小
・治具取付用穴の位置の修正 etc...

来年度中にLST2,3,4号機（北サイト）用基板を約1000枚量産予定
11

まとめ• 19モジュールで構成される1⁄14モデルのミニカメラを用いて、各PMTモジュールの性能評価を行う• CIEMAT（スペイン）では初号機用カメラ筐体を用いた試験を、IAC（スペイン）ではミニカメラを用いた全245モジュールの性能評価を行っており、2017年11月のファーストライトに向けた準備が進められている• LST2-8号機搭載用読み出し回路の開発を行っており、新たに追加したアナログメモリDRS4チップのタイミングキャリブレーション回路を用いることで電荷分解能を改善できることを示した• 来年度中にLST2,3,4号機（北サイト）用に約1000枚の読み出し回路基板を量産する予定である
12