CTA報告42：
CTA 大口径望遠鏡用焦点面検出器の開発○梅原克典、片桐秀明、田中駿也(茨城大理)、粟根悠介、窪秀利、今野裕介、林田将明(京大理)、上野遥、小山志勇、寺田幸功(埼玉大理)、大岡秀行、齋藤浩二、中嶋大輔(東大宇宙線研)、手嶋政廣(東大宇宙線研、Max-Planck-Inst.
fuer Phys.)、奥村曉、渋谷明伸、田島宏康、日高直哉(名大STE研)、折戸玲子、菅原隆希(徳島大総科)、株木重人(東海大医)、櫛田淳子、小谷一仁、門叶冬樹、西嶋恭司(東海大理)、郡司修一、萩原亮太(山形大理)、佐々木浩人、山本常夏(甲南大理工)、高橋弘充、深沢泰司、水野恒史(広大理)、千川道幸(近畿大理)、中森健之(早大理工)、馬場彩、吉田篤正(青学大理工)、Razmik Mirzoyan、OlafReimann、David Fink、Thomas Schweizer (Max-Planck-Inst. fuer Phys.)、
ほかCTA-Japan Consortium

大口径望遠鏡用焦点面検出器の要求仕様
焦点面検出器(ライトガイド＋光検出器＋読み出し回路)

本講演

光検出器の光検出器の使用総数
使用総数
1855本
1855本

CTA報告44
萩原CTA報告45~47

分割鏡

光検出器モジュールの開発~23 m

光検出器＋読み出し回路
 高速読み出し回路(2GS/s, >300MHz) 省電力(2W/channel)
 低コスト
インストールとインストールと コンパクトメンテナンスがメンテナンスが
 軽量
容易に可能
容易に可能

大口径望遠鏡（LST）

冷却系の開発 (CTA報告43 大岡)

2光検出器モジュールの開発
SlowControl

Trigger(L0+L1)+DRS4 readout

 光電子増倍管 (PMT) 省電力高圧回路
 高速プリアンプ
 モニタ・制御部

 高速読み出し回路

を1クラスタとして開発

7 PMTs CW-HV preamp

LSTでは265クラスタ
使用予定

開発状況
 PMT+省電力高圧回路 ← 今年度から量産開始
 高速プリアンプ ← 要求を満たすプリアンプの試験 モニタ・制御部 ← プリアンプに合わせて変更予定
 高速読み出し回路 ← v.3から最終版へ (CTA報告44：萩原)

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PMTの量産スケジュール<タイムスケジュール>2010-2014年 計画準備期間
詳細デザイン、サイト準備
プロトタイプ望遠鏡開発・建設
2015-2020年 本格的な建設開始
2017-2020年 部分観測開始
2020-2040年 フル観測運転
 上記のタイムスケージュールに従い、今年度からPMTを生産開始
 浜松ホトニクス株式会社に生産を依頼、来年の2月末までに約1000本のPMTが納入される予定
 量産に伴い生産されたPMTのcalibration方法について現在検討中
 PMTのアフターパルス測定の準備は整いつつある4

現在のクラスタに使用されているプリアンプ
 広いダイナミックレンジ
CTAの (1～1000 photoelectron)
要求  高速応答(帯域300MHz 以上)
 低ノイズ・低消費電力

CTA ではPMTの劣化を最小限に抑えるために、4×104 という低いゲインが標準動作ゲインとして要求されている。

入力上限~800 p.e.

Mini-Circuits社 LEE-39+
プリアンプボードの仕様
 消費電力 ≈ 183mW
 ゲイン 18.3 dB (4GHz)
20.8 dB (2GHz)

1 p.e. ~1.3mV

要求を満たしきれていない

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今回試験したプリアンプ
スペインで制作されたより低消費電力
なASIC Chip を用いたテスト基板

ゲインの異なるHigh Gain と Low Gainの2系統を用いることにより、ダイナミックレンジが拡張され要求をクリア

PACTAv1.2
Transimpedance gain (peak voltage)
Output peak voltage [V]

1.E+01

1 p.e.

1000 p.e. 4000 p.e.

10 p.e.

1.E+00
1.E-01

入力上限
High Gain

1.E-02

Low Gain

1.E-03High Gain Low Gain

1 p.e. ~0.24mV

1.E-04

1.E-06

1.E-05

1.E-04

1.E-03

1.E-02

1.E-01

Input peak current [A]

PACTAプリアンプ  帯域500MHz以上
評価ボードの仕様  消費電力 150 [mW]6

ダイナミックレンジの下限値についてダイナミックレンジの下限値はノイズレベルによって決まり、以下のように定義する。
Signal-to-Noise Ratio（SNR）が3 以上の時に、信号とノイズを分離できることから、SNR(=S/N)=3 をダイナミックレンジの下限値とする。
S：PMT標準動作ゲイン（=4×104）で1 p.e. 相当の光量が入射した時に、PMTから出力される波形をある時間幅で積分したもの
N：ノイズの標準偏差（=σ）

N
S

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PMT標準動作ゲインでの1p.e. 測定
Setup
暗箱
Pulsar
KEITHLEY
3390

LED

NDフィルター+＋diffuser

シャッター

PMT
(R11920100CWA2)

プリアンプ

FEC(メインアンプ）

Trigger
DRS4ボードPC
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PMT標準動作ゲインでの1p.e. 測定(LEEの場合標準動作ゲインでは1p.e.を分離できなかったので5×104で比較)

LEEアンプ使用時

PACTAアンプ使用時

SNR=3.3

SNR=5.6

p3：S => 33.4×10-12 [V・s]p2：N => 10.2×10-12 [V・s]p3：S => 166.2×10-12 [V・s]p2：N => 29.5×10-12 [V・s]9プリアンプの比較
諸特性

LEE

PACTA

消費電力 [mW]

183

150

周波数帯域 [MHz]

>2000

>400

ダイナミックレンジ [p.e.]

1.2~781

0.7~4167

PMTゲインで4万で1p.e.測定時のS/N

ノイズに埋もれて測定不能

3.9

PMTゲインで5万で1p.e.測定時のS/N

3.3

5.6

スケジュール的な問題でPACTAが採用されずLEEが採用された場合、ダイナミックレンジ要求を満たしていないので、要求をクリアできるような対策が必要である。
PMTのアノードの直後に50Ω の抵抗をつけることで信号を1/2に減衰させ、ダイナミックレンジの上限値を10かせげるかを試験した。

LEEアンプのダイナミックレンジ調整
PMT+LEE のセットアップで1p.e. 相当の波形を比較
Anode Out直後に50Ωいれる前

Anode Out直後に50Ωいれた後期待した通り波高値の減衰が確認できたので、波形に問題はないと思われる。

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LEEアンプのダイナミックレンジ調整
Anode Out直後に50Ωいれる前(1 p.e. 測定)

Anode Out直後に50Ωいれた後(1 p.e. 測定)

HV:1100V

HV:1100V

PMTゲイン
46.5×104

PMTゲイン
46.5×104

SNR=8.6
S => 37.3×10-12 [V・s]N => 4.4×10-12 [V・s]

55.6%減26.4%減SNR=5.2
S => 16.5×10-12 [V・s]N => 3.2×10-12 [V・s]12

LEEアンプのダイナミックレンジ調整
 予想通り信号の減衰を確認できたので、ダイナミックレンジの上限値は~781p.e.から~1600p.e. 程度になることが期待される。
 ダイナミックレンジの下限値については、まだPMT標準動作ゲインでの1p.e. の分離ができていないので、ノイズの発生個所をつきとめ対策を行い1p.e. の識別ができるようにする必要がある。

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まとめ
 日本グループで製作中のCTA-LST用光検出器モジュールを、最終仕様に向けて改良を進めている。
 PMTの量産スケジュール
今年度から量産、calibration体制に移行していく。
 低消費電力かつ広いダイナミックレンジをカバーするため、LEEとPACTAの2つのプリアンプの試験を行った。今後は試験結果を比較しどちらを採用するかを決め、プリアンプより後段の仕様を最終版に向けて改良していく。
 プロトタイプカメラ製作に向け今後は、複数クラスタでの同時読み出し試験等を行っていく。

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