次世代チェレンコフ望遠鏡CTA計画の小口径望遠鏡カメラに用いる光検出器の選定に向けたSiPMの特性評価	
山根暢仁, 田島宏康, 奥村曉,日高直哉, 佐藤雄太, 朝野彰, 中村祐樹
名大ISEE2016年秋季物理学会9月24日宮崎大学木花キャンパス	

Cherenkov Telescope Array ( CTA )	
¨

ガンマ線観測を目的とした国際共同実験¨

ガンマ線による大気チェレンコフ光を観測¤

γ	

エネルギーと到来方向を測定¨

2021年〜に観測開始予定¨

大、中、小の口径を持った望遠鏡を設置¨

高エネルギー領域（5TeV〜300TeV）の観測¤

チェレンコフ光の光量が多いため、小口径の望遠鏡¤

有効面積の確保のため、望遠鏡を多数設置

Credit: G. Pérez, IAC (SMM)	
山根暢仁	

2	

小口径望遠鏡カメラに採用予定の光検出器	

カメラ：~0.4m	

副鏡 : 2m	

主鏡 : 4m	

the CTA Consortium	
32×64(2048）個の光検出器を搭載予定	
¨

銀河中心を主に観測するため、南半球のみに建設¨

副鏡を採用することでカメラが小型化¨

カメラには半導体光電子増倍素子（SiPM）を採用
山根暢仁	

3	

SiPMの特性	
3~6mm	

Fill factor = 有効面積（ ）/SiPMの全面積	
http://www.hamamatsu.com/jp/ja/product/category/3100/4004/4113/S13360-3050VE/index.html

PMTと比較して¨ 高い光検出効率（PDE）¨ 低い印加電圧→省電力
¨ 小型
ノイズ特性
¨ オプティカルクロストーク（以下クロストークと呼ぶ）¨

ダークカウント

PDEとクロストークは降伏電圧からの超過電圧（overvoltage）に依存
山根暢仁	

4	

ノイズ特性による影響	
¨クロストーク

電子雪崩で生じた二次光子が他のセルに移動して電子雪崩を起こす現象
クロストークで1光電子の信号が2光電子以上に増幅する
3 p.e.	
2 p.e.	
1 p.e.	
ダークカウント	

20ns	

¨

ダークカウント

熱的光電子によってランダムに信号が出る現象
光子による信号と重なり、検出光電子数を見誤る可能性がある

山根暢仁	

5	5	

本研究の目的	
小口径望遠鏡カメラに最適なSiPMの選定¨ 動作電圧の決定¨¨

各候補製品の評価項目¤ PDEとクロストークの電圧依存性¤ PDEとクロストークの相関関係¤ PDEの波長依存性¨

候補製品の条件¤¤

カメラの大きさに適したピクセルサイズで、大量生産ができる
浜松ホトニクス、SensL、FBK

山根暢仁	

6	

測定したSiPM候補	
Product ID	

Short name	 Pixel size	 Cell size	 Fill factor	 Company	

S12572-050C	

REF-50-33 mm	

50 µm	

62%	浜松	

S13360-3050CS	

LCT5-50-3	

3 mm	

50 µm	

74%	浜松	

S13360-6050CS	

LCT5-50-6	6 mm	

50 µm	74%	浜松	

S13360-3075CS

LCT5-75-3	

3 mm	

75 µm	

82%	浜松	

S13360-6075CS	

LCT5-75-6	

6 mm	

75 µm	

82%	浜松	

New	 S13360-3050VE	

LCT5V-50-3	 3 mm	

50 µm	74%	浜松	

New	 S14161-3050CS	

LVR-50-3	

3 mm	

50 µm	

74%	浜松	

New	 S14161-6050CS	

LVR-50-6	6 mm	

50 µm	

74%	浜松	

New	 S14161-6075CS	

LVR-75-6	6 mm	

75 µm	

82%	浜松	

MicroFJ-SMA-60035	 FJ-35-6	

6 mm	

35 µm	

SensL	

6 mm	30 µm	FBK	New	 NUV-HD	

NUV-30-6	

山根暢仁	

7	測定系	
LED（400nm）	
恒温槽	
ディフューザー	
パルスジェネレータ	

LED（ファイバー）	
ディフューザー	

trigger	

コリメータ	

コリメータ
（φ1mm）	

光量モニター	

オシロスコープ	

全てのSiPMで、光を当てる面積を同じにするため、コリメータを使用
光量モニターとしてREF-50-3を使用	

PC	

SiPM	

光量モニター	

SiPM	

アンプ	

アンプ	
2.5 GHzでサンプリング	
山根暢仁	

8	

取得波形の解析	
¨

[mV]	

ノイズフィルタ¤ 4nsで移動平均を取り、高周波ノイズをカット（赤）¨微分フィルタ¤ 12ns前の波形からの差分（緑）	
OFF	n 12ns周期のノイズの低減

[ns]	
ON	

¤ 8ns前の波形からの差分（青）OFF	n 波形の分離

¨

波高分布
¤ Peak Time分布から波高値を取得する

[ns]	

時間を設定
¤ ONタイミング — LEDの発光タイミング¤ OFFタイミング — ONタイミング以外
山根暢仁	

9	

PDEの評価	¨

ONタイミングの波高分布
クロストークによって1 p.e.以上のイベント数はポアソン分布に従わない	

0 p.e.のイベント数から平均検出
光電子数を決定	λ k e− λP(k) =k!
P(0) = e− λ λ = −log P(0)PON (0) = PTrue (0)POFF (0)POFF (0)PTrue (0) =PON (0)
[mV]	
山根暢仁	

10	

クロストークの評価	
¨

OFFタイミングの波高分布

ダークカウントがポアソン分布に従うと仮定	

クロストークを考慮して、2 p.e.
以上になるイベント数を近似	

N (≥ 2 p.e.)= P(1)R + P(2) + P(3)NN (≥ 2 p.e.) λ λ 2
R=− −λ P(0)N
2 6[mV]	

λ2
λ3
P(1) = λ P(0), P(2) =P(0), P(3) = P(0)
26
山根暢仁	

11	

PDEの電圧依存性 	

PDE[%]

PDEは、REF-50-3との相対値を測定。UCSCでのREF-50-3の測定結果を利用して絶対値に変換 31.8% @REF-50-3（OV=3V）
60• LVR-75-6がovervoltageに対して最も高いPDE

555045• 6mmのデバイスは3mmのデバイスに比べてPDEが約4〜8%高い

REF-50-3
LCT5-50-3

40

LCT5-50-6
LCT5V-50-3
LCT5-75-335• 窓材がエポキシ（LCT5V-50-3）とシリコーン（LCT5-50-3）でのPDEは誤差の範囲で一致

LCT5-75-6
LVR-50-330

LVR-50-6
LVR-75-6
FJ-35-625

NUV-30-6

2002468101214

Over Voltage[V]
山根暢仁	

12	

Crosstalk Rate[%]クロストークの電圧依存性	
60• LCT5-50-3がovervoltageに対して最も低いクロストーク

5040• 6mmのデバイスは3mmのデバ
イスに比べてクロストークが約19〜33%高い

REF-50-3
LCT5-50-3

30

LCT5-50-6
LCT5V-50-3
LCT5-75-3
LCT5-75-6

20

LVR-50-3• 窓材がエポキシのSiPMはシリコーンに比べて、クロストークが約69%高い	

LVR-50-6
LVR-75-6

10

FJ-35-6
NUV-30-6002468101214

Over Voltage[V]山根暢仁	13	PDE[%]

PDEとクロストークの関係	
60555045• クロストークが15%以下では
LVR-50-6、15%以上ではLVR-75-6が最もPDEが高い

REF-50-3
LCT5-50-3

40

LCT5-50-6
LCT5V-50-3
LCT5-75-3

35

LCT5-75-6• クロストークに対するPDEは浜松のSiPMに比べるとSensLとFBKは低い	

LVR-50-330

LVR-50-6
LVR-75-6
FJ-35-625

NUV-30-6200102030405060

Crosstalk Rate[%]

山根暢仁	

14	

まとめと今後	
CTAの小口径望遠鏡に採用するSiPMを選定するため、前回測定した素子に新たに浜松とFBKのSiPMを追加して計11個のSiPMを測定。
¨ ピクセルサイズによる光量依存をなくすため、Φ1mmのコリメータを利用。
¨ クロストークが約15%以下ではLVR-50-6、15%以上ではLVR-75-6のPDEが最大となった。
¨

今後の予定
¨ PDEの波長依存性を測定

山根暢仁	

15