単光子計数による時間領域可視光天文学の開拓
Exploring time-domain optical astronomy by the single-photon counting method（日本天文学会推薦）

代表研究者 山形大学

中森 健之

Yamagata University Takeshi NAKAMORI

協同研究者 山形大学

大内 優雅

Yamagata University Yuga OUCHI

山形大学

荻原 理沙

Yamagata University Risa OGIHARA

東京大学

寺沢 敏夫

University of Tokyo

山形大学

柴田 晋平

Yamagata University Shinpei SHIBATA

広島大学

秋田谷 洋

Hiroshima University Hiroshi AKITAYA

広島大学

川端 弘治

Hiroshima University Koji S. KAWABATA

Toshio TERASAWA

We have developed a photo-sensor for an optical photon counting imager for astronomy with high timing resolution.
We customize a Multi Pixel Photon Counter as a monolithic Geiger avalanche photodiode array with a pixel size of 100
micro-meter. The prototype model consists of 4x4 pixels sensitive to single optical photons. Excellent timing response isachieved as fast as an order of a nanosecond. We evaluate the basic performance of the sensor and confirm the gain
linearity, uniformity, and low dark count rates. We observe the Crab pulsar using this system with a 35-cm telescope andsuccessfully detected periodic pulses with a frequency consistent with that reported by the radio observatory. We also
installed our system at the Nasmyth focus of Kanata 1.5-m telescope and observed the Crab pulsar. With a larger collecting
area, the Crab pulses are clearly detected in less than 1 second. And finally, in order to make the system more stable andeasy to handle, we developed a compact readout system employing a commercial FPGA evaluation board.

研究目的

高速回転する中性子星である Crab パルサーは、自転に同期した周期で電波からガンマ線に渡る広帯域なって X 線の 4％増光が確認[7]されるに至り、その放射モデルにとどまらず、マグネター天体との関連など議論が活発化している。の電磁波をパルス状に放出している。カニパルサー

GRP のような高エネルギー天体現象の理解には、では平均的なパルス強度に対して 10－1000 倍以上様々な波長（や粒子等）で同時に観測することが不にもなる巨大電波パルス（Giant radio pulse; GRP）の可欠である。とくに、高速変動現象が対象となる場存在が知られており、ときにはナノ秒スケールの強合には、各波長の観測で時間分解能が揃った上での度変動が観測されている[1]。GRP は頻繁に繰り返し同時観測が肝要となる。この点で読み出し速度の遅起こっており、定常的に観測されるメインパルスとい CCD や CMOS が使われる可視光観測は、他の波同期していることが多い。その起源については未だ長に対して高速測光能力に劣る。

結論が得られておらず、多波長同時観測が世界的に

本 研 究 で は 、 半 導 体 光 セ ン サ Multi-Pixel Photon

活発に行われている。X 線[2]と高エネルギーガンマ

Counter (MPPC)を光学天体観測に改造し、高速測光線[3,4]では GRP に同期した増光は確認されなかった。 システムを開発する。MPPC はガイガーモードで動可視光では定常パルスピーク前後 1 ミリ秒未満の範作する有感セルが 2 次元状に配置された構造で、囲で 3％程度の増光が検出されているが[5,6]、電波強個々のセルが 106 程度の内部増幅機能を持ち、単光度との相関など精査の余地が残されている。最近に子を検出する高い感度を有する。全セルの信号が合算されて出力されるため、素子全体で受けた光量がら−20℃までの温度で測定し、線型性を有することを分かるセンサである。MPPC はシンチレータの発光確認した。 熱電子によって誘起されるダークカウン読み出しとして放射線検出器の一部として主に用いトのレートを全セルに対して測定したところ、常温られるが、これを可視天体観測に応用する。本来ので O(100) Hz であった。従来型 MPPC のダークレー用途と異なるため、そのままの利用には課題がある。

トをセル当たりに換算したものと同程度であり、予mm サイズの「ピクセル」は大きすぎ、撮像能力を持想通りであった。また夜光雑音に対して十分に低いたない。大きすぎるピクセルサイズは夜光バックグこともわかり、天体観測においてダークカウントはラウンドが大幅に増えてしまい、結局は天体信号に問題にならないことを示した。MPPC はガイガー放対する感度が低下する。さらには熱雑音レートが高電により検出するため、隣接するセルの放電を誘起すぎるといった課題があった。

してしまうオプティカルクロストークという偽信号

本研究の目的は以下の 3 つである。
（１）光学天体観が確率的に混入する場合がある。セルごとに信号を測に応用した際の MPPC が有する課題を克服する改取り出せる改造 MPPC の性質を利用して、クロスト造を行い、高速測光センサとして利用できる性能をーク確率を直接測定することができた。正確な測光示すこと。
（２）Crab パルサー定常パルスの観測によと系統誤差の見積もりに用いる基礎データが取得でってシステムとしての性能を実証する。電波望遠鏡

きた。と同時に GRP の観測を行い、日本国内での観測体制

次に素粒子実験用の汎用電子回路モジュールを組を確立するとともに、可視増光を探索すること。
（３）

み合わせることで、改造 MPPC の光子計数を時系列観測システムの安定化と小型化のため、専用のデーで記録するシステムを構築した。利用できるモジュタ収集回路系を開発すること。

ールと VME バスの読み出し速度の制限から、0.1 msごとの検出光子数をチャネルごとに記録し続けるシステムとした。Crab パルサーと同程度の 30 Hz で周研究経過（１）MPPC の有感セルを独立に読み出すように期的に発光させた LED を照射し、高速フーリエ変換改造したカスタム MPPC を試作した。Dual-in-line パによる周期検出と、フォールディング法による周期ッケージに 100 um 角のセルが 4x4 に並んで封入さ検出にそれぞれ成功した。また kHz を超える周期でれている。単光子に感度を持つ個々のセルが、画素も同様の試験を行い、光源の周期と矛盾しない結果として機能するガイガー・アバランシェフォトダイが得られた。以上から、改造 MPPC と読み出しシスオードのアレイである。以下、本稿では改造 MPPC

テムは、光学天体の高速観測に使える性能を持つこと呼ぶ。とが分かった。

まず初めに、以下に述べる一連のセンサ性能評価（２）開発したシステムを山形大学天文台にある口を行った。単光子検出時に出力されるナノ秒幅のパ径 35 cm の望遠鏡に搭載し、Crab パルサーを 1 分×ルス波形を確認し、高速応答性と回路雑音に対する7 回間観測した。周期解析を行い、Jodrelbank 電波天高い S/N 比を有することを Figure 1.に示した。印加文台（イギリス）がモニタリング観測している Crab電圧に対する内部増幅率を全セルに対して、25℃かpulsar の周期と矛盾しない結果が得られた。Figure 2.

電圧（mV）に示すように、可視の光度変化を表すパルス波形を再構成し、従来から知られていた波形と一致するこ200とを確認した。以上と（１）の成果を論文にまとめ150て投稿し、出版された（誌上発表 1）。
GRP に連動した光度変化を測定するためには、十100分な光子統計量が必要となる。小口径望遠鏡では効50率が悪いため、さらに大型の望遠鏡に搭載する必要がある。口径 1.5 m を持つ広島大学かなた望遠鏡の0−100−50050100150200250300

時間（ナノ秒）

Figure 1. A waveform of the customized MPPC
detecting a single photon.

ナスミス焦点に開発したシステムを設置し、東北大学が運用する飯舘電波望遠鏡と Crab パルサーの同時観測を行った。設置に先駆けて、小型自動ステー

うになった。データはイーサネットら送信されるた
め、転送速度で律速することなく、高い時間分解能で全 16 セルの光子検出時刻を測定できるようになった。山形大学 35 cm 望遠鏡に搭載できるよう治具を設計制作したものを Figure 3.に示す。

Figure 2. The observed pulse profile of theCrab pulsar.(誌上発表 2)ジによる焦点合わせ機能を開発実装し、観測の全プロセスをネットワーク経由で遠隔操作できるようソフトウェアを整備開発した。
高い集光力によって、わずか数周期で Crab パルサーの定常パルス信号の検出に成功した。GRP を観測

Figure 3. A photo of the developed camera

している電波望遠鏡と時刻を精密に合わせる必要が

system with the FPGA evaluation board.

あり、GNSS モジュールをデータ処理系に組み込んである。本実験中に、軽微ではあるが無視できないこの新しい測定システムに周期的に発光する LED

GNSS の不具合があった。原因の追求と再現実験にを照射して性能評価を行い、初期システムと同様に時間を費やしたが、信頼できる較正が可能であるこ周期検出能力を有することが分かった。本システムとまで突き止めた。現在は慎重に可視・電波同時観を搭載して Crab パルサーの試験観測を行う計画で測データの解析を進めている。

あったが実現できなかった。山形大学天文台の観測（３）かなた望遠鏡での観測実験で、汎用回路モジ小屋が積雪により損傷し、機能を喪失する事故が発ュールで構成したデータ収集系がかさばる重量物で生したことが理由の１つである。また新型コロナウあり、移植性・可搬性に難があることが明らかとな

ィルス感染拡大の影響により、かなた望遠鏡への出った。また、センサ信号の増幅回路も環境変化にと張観測を組むことが困難であったことも理由に挙げもなう電源ノイズに対してやや弱いことも分かった。 られる。
これらの問題を解消するため、センサとアンプ、光子検出を判別するコンパレータが一体化した専用の考察フロントエンド回路基板を設計制作した。フロント

カスタム MPPC によって Crab パルサーの定常パル

エンド基板には、バイアス電源とコンパレータをそスは光子計数法で問題なく検出することができたた

れぞれ駆動する DAC が搭載されており、SPI 通信にめ、高速可視観測のセンサとして有望であると言えよって制御する。開発のコストを削減するため、市るだろう。開拓と題した本研究の目的は、ある程度販の Field Programmable Gate Array （FPGA)評価ボー達成できた。可搬性と小型化をさらに追求できれば、ドを採用し、フロントエンド基板全体への電源供給

小惑星による恒星食などの野外観測への新しい応用と、DAC の制御を FPGA から行う構成とした。

が実現する可能性も考えられる。

コンパレータの出力も FPGA で受け取り、光子検かなた望遠鏡のような大型望遠鏡の焦点距離では出時刻を測定する機能を実装した。GNSS モジュー

スポットサイズが大きくなる。観測中の追尾精度やルから Pulse Per Second 信号と 10 MHz のクロックを大気の状態によっては結像位置が動いてしまうため、FPGA に接続し、コンパレータのパルスを受けたタ

面積の小さな改造 MPPC では点光源の光を安定してイミングを 100 ns の精度で記録することができるよ

受光しにくい。センサの大型化が望まれるが、同時に読み出しチャネル数の増加を意味する。より集積3.

「光子計数撮像システムと Crab pulsar の観測」
、度の高い IC の採用や開発が必要となるだろう。性能

中森健之他、かなた望遠鏡ユーザーズミーティの向上とシステムの堅牢化が進めば、従来型のセン

ング、オンライン、2020 年 6 月

サでは到達できない時間領域の探索が効率的に実施

4.

「MPPC による Crab パルサーの観測とシステムでき、既知天体現象の理解が深まり、未知の現象のの改良」、中森健之他、日本物理学会秋季大会、発見につながるだろう。

オンライン、2020 年 9 月
5.

【招待講演】「Crab pulsar の光学光子計数観測」、中森健之他、光・赤外線天文学大学間連携ワーク
ショップ、オンライン、2020 年 11 月

引用文献

[1] Hankins et al., Nature 422, 141, 2003

6.

“Development of an optical photon counting imager[2] Hitomi Collaboration, PASJ, 70, 15, 2018using Geiger APD array”, T. Nakamori et al., SPIE,[3] Bilous et al., ApJ, 728, 110, 2011

X-ray, Optical, and Infrared Detectors for Astronomy[4] Aliu et al., ApJ, 760, 138, 2012

IX, online, 2020 年 12 月

[5] Shearer et al., Science, 301, 493, 2003

7.

[6] Strader et al., ApJL, 779, L12, 2013

「パルサーの可視観測」、中森健之、中性子星および関連現象、オンライン、2020 年 12 月

[7] Enoto et al., Science, 372, 187, 2021
誌上発表
研究の発表

1.

“Development of an optical photon counting imager

口頭発表

using Geiger Avalanche Photodiode array”, T.

1.

「可視光子計数法による Crab パルサーの時間分

Nakamori, Y. Ouchi, R. Ogihara, T. Terasawa, S.

解観測」、中森健之、高エネルギー突発現象の多Shibata, PASJ, 73, 66, 2021

波長・多粒子観測と理論、東大宇宙線研、2019 年2.

2.

“Development of an optical photon counting imager

11 月

using a monolithic Geiger APD array”, T. Nakamori,「MPPC を用いた中性子星パルサーの観測シス

Y. Ouchi, R. Ogihara, T. Terasawa, S. Shibata, H.

テムの開発」、中森健之他、日本物理学会春季年

Akitaya, K. S. Kawabata, Proc. SPIE 11454, 1145418,

会、オンライン、2020 年 3 月

2020