CTA 報告136 :
ガンマ線望遠鏡 CTA におけるSiPM の多チャンネル同時較正手法の実機検証
中村 裕樹、奥村 曉、片桐 秀明A、佐々井 義矩、田島 宏康、三浦 智佳A他 CTA Consortium
名古屋大学 宇宙地球環境研究所（ISEE）、茨城大理A

日本物理学会 2018年 年次大会
東京理科大学 3/22

Cherenkov Telescope Array（CTA）‣ 大中小の異なる口径の望遠鏡を100台規模で設置→ 20 GeV から 300 TeV のガンマ線において現行の望遠鏡より一桁高い感度での観測を目指している‣ 到来頻度の低い100 TeVのガンマ線を観測するためには小口径望遠鏡を多数設置し有効面積を拡大する
Large-sizedTelescope（LST）

Medium-sized
Telescope（MST）

Schwarzschild‒Couder
Telescope（SCT）

D = 23 m
D = 12 m
D = 9.6 m
E = 20 ‒ 200 GeV
E = 100 GeV ‒ 10 TeVE = 200 GeV ‒ 10 TeV
N = 4@North + 4@South N = 15@North + 25@South N = 25@South

Small-sized
Telescope（SST）
GCT
ASTRI
SST-1M

35@South
35@South
20@South

D = 〜4 m
E = 5 ‒ 300 TeV

LST© CTA Consortium

MST
GCT

SST-1M

ASTRI

2

小口径望遠鏡‣ ３つのデザインが提案されている- それぞれ試作機での試験観測が行われチェレンコフ光の観測に成功❖ Schwarzschild­Couder 光学系❖ Daives­Cotton 光学系

GCT

ASTRI

2m

SST-1M

1.8 m

4m

4.3 m

© CTA Consortium© CTA Consortium

MAPMT
2048 画素© CTA Consortium

SiPM
2368 画素© CTA Consortium

4m

SiPM
1296 画素© CTA Consortium© CTA Consortium3焦点面カメラの開発‣ 光検出器を半導体光電子増倍素子（SiPM）に置き換えたカメラの開発を進めている‣ GCT の焦点面カメラは ASTRI にも搭載可能な設計にしている→ 試作焦点面カメラを GCT と ASTRI に搭載しての試験観測を今年予定している© CTA Consortium

CHEC-S GCT 用 焦点面カメラ

近日中に名古屋大学に小型の焦点面カメラを導入予定

MAPMT

GCT

ASTRI

SiPM
2048 画素© CTA Consortium
11 / 28© CTA Consortium© CTA Consortium4焦点面カメラの較正❖ 2048 画素の焦点面カメラを 70 台設置 ＝ 合計で14万画素以上→ 全ての SiPM と電子回路を単体で較正することは現実的な時間では難しい

SiPM と電子回路を組み上げた状態での較正手法を開発する
カメラモジュール

‣ 多画素の較正と望遠鏡搭載後に再較正を想定
LED 光をカメラ全体に照射することで較正する方法開発する‣ 較正項目の例
・電子回路の電圧値記録時刻のずれ

SiPM
64 画素

集積回路

4電子回路によって64 画素の信号を同時に記録可能
焦点面カメラはカメラモジュール 32 個で構成される★ SiPM と電子回路を合わせた出力波形の検出光電子数に対する非線形性 講演内容①
・SiPM のオプティカルクロストーク発生確率
講演内容②
較正手法を応用
アレイ型 SiPM のオプティカルクロストーク発生確率の表面保護層厚依存性を評価した

5検出光電子数に対する出力波形の非線形性
出力波形の例❖ 望遠鏡搭載後は較正済みの光源が使用できないことが考えられる

1000

Voltage（mV）→ 検出光電子数がポアソン分布に従うことを利用して決定する＊SNが最大になるように積分範囲を決定

800
600
400
2000

積分−200✴ 測定方法0‣ ゲインが検出光電子数のばらつき

q20406080

100120Time（ns）

hNp.e. i の間では一定と近似すると出力波形の積分値の平均 µと標準偏差 σ はqhNp.e. i‣ 標準偏差 σ からNp.e. での dµ / dNp.e. を決定
dµ=pdNp.e.
hNp.e. i

この時の Np.e.は直前のNp.e.とdµ/dNp.e.から推定する‣ 照射する光量を変化させて測定を繰り返すµ
出力波形の積分値µ±dµ= G(Np.e. ) · hNp.e. i ±dNp.e.

±dµdNp.e.

G(Np.e. )hGaini0 – Np.e. でのq± hNp.e. i

平均的なゲインNp.e.

検出光電子数6検出光電子数に対する出力波形の非線形性
✦ 測定系
測定結果

ファンクション

PC

ジェネレータ

16000
14000

LED

SiPM
64画素

電子回路
電子処理回路NDフィルター

恒温槽

Integral value

12000

SiPM

10000
8000
6000
4000
2000

＊ 光量はNDフィルターで変化させた

0020406080100
Numbre of Photoelectron

120140＊Np.e.は積算されるため、そのエラーは独立ではない❖ 非線形性を含めて積分値と検出光電子数の関係を決定した→ この関係を用いることで積分値から検出光電子を決定できる❖ 110 p.e. 程度で飽和している
手法確立のためゲインを高く設定している（1 p.e. 〜 12 mV）、実際は 1 p.e. = 4 mV に設定する→ 将来的には 500 p.e. 程度まで測定する
7

検出光電子数に対する出力波形の非線形性‣ NDフィルターの減衰率を測定（積分値が検出光電子数ごとに分離できる数 p.e.の領域で行う）→ 較正済み光源として使用できるようにする‣ 110 光電子以下では誤差の範囲で一致→ 較正済み光源を使用した場合と同様の結果を得られている
今後の課題

・統計量を増やし精度を向上する
・最新版の集積回路を使用して検証する

2048 画素の焦点面カメラに適用する予測される検出光電子数との比較

16000

0.1

Integral value

12000
10000
8000

フィルターの減衰率から推定

6000

積分値から決定4000
200000( Measure - Expext ) / Expect

14000
0.05
0−0.05−0.1−0.15＊Np.e.は積算されるため、そのエラーは独立ではない−0.2
20406080100
Number of Photoelectron

120

140020406080
100
Expected Np.e.

120

1408

SiPM のオプティカルクロストーク発生確率
入射光子

画素外へ反射され検出されない

空気層✴ オプティカルクロストーク

保護層

二次光子

- アバランシェ増幅中に生じた二次光子を他の増幅セルで検出する

同一増幅セルへ入射する

増幅セル

1 画素

Optical Crosstalk Rate (%)

2520❖ 発生確率が保護層の厚さに依存する

画素サイズ 材質
厚さLCT5 3 mm Epoxy 100 µm
LCT5 3 mm Epoxy 300 µm
LCT5 3 mm Silicone 450 µm
LVR2LVR26 mm7 mm‣ 厚くすると発生確率が低減する

No coating
No coating→ 画素の外へ逃げ出しているため

15‣ 保護層をなくしたとき最小となる→ 同一増幅セルにもどると検出されないため

10500

アレイ型 SiPM では周辺画素で二次光子が検出される
246

Overvoltage (V)8109

周辺画素へのオプティカルクロストーク発生確率測定方法
Voltage (mV)asic 0 channel 1520Reference15‣ 2つの画素での光電子検出時間差 ∆t を測定し分布を作成∆t→ ∆t はダークカウントとオプティカルクロストークの102つの成分で表される
5Exp + Gaus

Voltage (mV)0015

ダークカウント + オプティカルクロストーク

asic 0 channel 14−52064 96 128 160 192 224 256 288 320 352 384 416 448
Measured①cell number (ns)32

‣ 同時に検出される事象の増加量を測定→ オプティカルクロストーク発生確率を決定する

100Voltage（mV）

ダークカウント−52001532

6496 128 160 192 224 256 288 320 352 384 416 448
cell number (ns)Measured ②

ダークカウントor
オプティカルクロストーク

10

Number of Entries
Count

5350

オプティカル
クロストークの成分

隣接画素

300
250
200

5150

0100

ダークカウント

50

−50

hist
Entries44879
Mean−0.4447
Std Dev
84.24

326496 128 160 192 224 256 288 320 352 384 416 448time（ns）

0−150

検出時間差
−100

−50

050100150Δt (ns)10測定結果
14＊超過電圧：4 V

合計

Optical crosstalk rate (%)

1210＋ 基準8同一画素

Other

64+
Other

200

SiPM 側面

100200300
400
Coating thickness (µ m)

ガラス板 100‒400 µm
光学グリース〜 70 µm

1 画素（3 mm）

シリコーン樹脂
100 µm

500

3 mm

600

❖ 発生確率は発生する二次光子の数は保護層厚によらず一定→100 µm 以上で発生確率の合計は保存している❖ 保護層なしでは二次光子が検出されないため発生確率の合計が減少する＊保護層の厚さはガラス板を貼り付けることで変化させた
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シミュレーションとの比較
A. Zenin＊超過電圧：4 V

14合計

Optical crosstalk rate (%)

12108

同一画素

6+4Other

200100200300
400
Coating thickness (µm)

500600❖ 実験結果と同様の傾向を再現できている→ 保護層での反射によるオプティカルクロストークについて概ね理解できている❖ 保護層を薄くすることでオプティカルクロストーク発生確率を抑制できる→ この結果をもとに SiPM の仕様を決定する
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まとめ

‣ 光検出器をSiPM に置き換えた焦点面カメラの開発が進んでいる- 2018年中に試験観測を予定‣ 多画素の焦点面カメラの較正に向けて較正手法を開発した望遠鏡搭載後の再較正も想定して LED 光をカメラ全体に照射することでSiPM と電子回路の検出光電子数に対する出力の非線形性を較正する方法を開発した→ 較正済み光源を使用した方法と一致している
今後、試作焦点面カメラで検証する‣ 較正手法を応用してオプティカルクロストーク発生確率の表面保護層厚依存性を評価した→ 保護層を薄くすることでオプティカルクロストーク発生確率を低減できる
この結果をもとに SiPM の仕様を決定する

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