CTA 報告 225 : 小口径望遠鏡用 64 チャ
ンネル SiPM の暗電流の安定性試験 (2)名古屋大学 宇宙地球環境研究所 A, 名古屋大学 素粒子宇宙起源研究所 B
河原﨑琉 A, 奥村曉 A,B, 田島宏康 A,B, 古田和浩 A, 他 CTA consortium

日本物理学会第 2024 年春季大会

2024/3/21

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Cherenkov Telescope Array (CTA)• CTA（南サイト）では大中小 3 種類の望遠鏡を配置する• 小口径望遠鏡 (Small-Sized Telescope, SST) は到来頻度の少ない 1 〜
300 TeV の高エネルギー領域のガンマ線を観測し、70 台設置される
CTA 完成予想図
大口径望遠鏡 (LST) : 4 台
中口径望遠鏡 (MST) : 25台

小口径望遠鏡 (SST) : 70 台
画像提供: Gabriel Pérez Diaz, IAC / Marc-André Besel, CTAO

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CTA 報告 225 : 小口径望遠鏡用 64 チャンネル SiPM の暗電流の安定性試験 (2)2

SiPM を用いた SST の焦点面カメラ
SiPM（半導体光検出器）

30 cm• アバランシェ·フォトダイオード(APD) セルを並べた光検出器• 降伏電圧 (Vbr) 以上の電圧を印加してガイガーモードで使用する
50 × 50 μm

APD セル
14000 セル / 1ch

6 mm

5 cm

64 ch SiPM（浜松ホトニクス S14521）

焦点面に 64 ch SiPM を 32 モジュール
並べ 合計 2048 ch を搭載する
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CTA 報告 225 : 小口径望遠鏡用 64 チャンネル SiPM の暗電流の安定性試験 (2)3

本研究の動機と目的• SST では 10 万 ch 以上の SiPM でチェレンコフ光を観測する• SiPM の不良時に 64 ch ごとの交換が必要である• 過去に暗電流が1桁増大した SiPM 個体があった➡SiPM の信頼性が重要• SiPM の正常時の暗電流変化が観測に影響を与えないことの確認• 初期不良（数日）の有無、長期の不良、その振る舞いの測定

長期にわたる多チャンネルの暗電流を測定した
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CTA 報告 225 : 小口径望遠鏡用 64 チャンネル SiPM の暗電流の安定性試験 (2)4測定した SiPM
• SiPMは実際に CTAで使用を予定している「浜松ホトニクス S14521」を使用• 今後加速劣化試験を想定しているため、 Vbr の揃っていない不合格品を測定✴暗電流が最も大きい ch を含むモジュール

最も不良が起こりそうな2 モジュール✴平均的に暗電流が大きいモジュール（ ※ 本講演の内容は全て不合格品の測定結果である）

64 ch SiPM
不合格品

6 mm
× 8 ch

合格品

6 mm × 8 ch

合格品と不合格品の Vbr と暗電流の分布V

表面保護用のカプトンテープは取り付けたまま測定（ 浜松ホトニクスは Vbr + 3 V で試験 ）日本物理学会2024/3/21

CTA 報告 225 : 小口径望遠鏡用 64 チャンネル SiPM の暗電流の安定性試験 (2)5正常 ch の暗電流
測定条件
• 印加電圧 44 V = Vbr ( ~ 38.5 V) + ~ 5.5 V• 恒温槽で試験 (25 °C)
暗電流 (µA)
平均：3.335 μA

Ch A1

マルチモーダルな振る舞い

Ch B6

標準偏差：0.042 μA(測定誤差 : 0.004 µA)

基板の変更

電圧計を変更測定を一時中断• 全ての ch で夜空の光に起因する電流の 10 % であることを確認した 時間 (日)• 暗電流は 1% で安定している• マルチモーダルな振る舞いでは、特定の複数の APD セルの暗電流が増減する
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大暗電流チャンネル (Ch A3)
暗電流最大 ch の不合格品を測定した➡今後のスクリーニングや不良発生時の対応のため、この chの振る舞いを調査した
測定条件
浜松ホトニクス測定データ（Vbr + 3 V で試験）

• Vbr ( ~ 38.5 V) + ~ 5.5 V• 25 °C

A1 平均：3.34 μA
標準偏差：0.04 μA

暗電流最大 ch
不合格品

平均：16.8 μA
合格品

標準偏差：0.41 μA
電流値と変化幅が大きい
日

Ch A3 の暗電流は A1 の 5 倍の暗電流が流れている
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CTA 報告 225 : 小口径望遠鏡用 64 チャンネル SiPM の暗電流の安定性試験 (2)7大暗電流チャンネルで輝点を発見• APD セルでは雪崩増倍の際に Si から脱励起の光子が発生する• 仮定 : 特定の APD で暗電流が増大し Si から脱励起の発光が見える➡大電流が発生していないか撮影を行った（デジカメ、30 秒露光）

50 µm APDセル
重ねて位置を比較

50 µm APD
室内灯下で撮影 (HV o )暗室で HV 44 V を印加• APD セルの一部で 4 点の輝点を発見した✴4点が近くに存在✴全てセルの角➡APD で局所的に大電流が流れているとき輝点が撮影できる
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ff

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Ch D8
夜光観測時の電流と同等

約 10 倍の電流上昇

10 倍の増大に相当する輝点は撮影で写らなかった➡APD で局所的に大電流は発生していないと考えられる
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CTA 報告 225 : 小口径望遠鏡用 64 チャンネル SiPM の暗電流の安定性試験 (2)9電流増大が発生した Ch D8 の IV 特性
線形成分を差し引く
Ch D8

Ch D8

線形成分
傾きは 1.2 MΩ に相当

Ch A1 と同様の電圧依存性

20 ~ 40 V で電流が異常な振る舞い

正常 ch (A1)

20 V まで電流は流れない• Ch D8 では正常な IV カーブに線形成分が加わっている• 20 〜 40 V で暗電流が異常な振る舞いをする• Ch D8 と並列に 1.2 MΩ 相当の経路が発生したと考えられる
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CTA 報告 225 : 小口径望遠鏡用 64 チャンネル SiPM の暗電流の安定性試験 (2)10電流増大 ch (D8) のダークカウントレート
ダークパルスのΔt 分布の比較

ダークカウントレート

Ch A1：3.60 MHz

preliminary

Ch D8：4.24 MHz

1.2倍

exponential t の
正常 ch (A1)時定数から算出

Ch D8• Ch D8 のダークカウントレートは正常 ch の 10 倍ではない→ 電流増大は SiPM の暗電流が原因ではない (原因は不明)→ 光子検出と波形解析は問題なく行える→ SiPM の交換なしでチェレンコフ光の観測に使えそうfi

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CTA 報告 225 : 小口径望遠鏡用 64 チャンネル SiPM の暗電流の安定性試験 (2)11まとめと今後の展望• 大暗電流 SiPM の APD セルで輝点を発見した✴浜松ホトニクスのデータから事前にスクリーニング済• 10 倍の電流増大が発生した (Ch D8)✴APD の異常ではなく基板等で抵抗成分が発生した✴浜松ホトニクスに検査を依頼予定
1.2 MΩ

Ch D8

電流増大の原因の仮説

今後• 電流増大や発光するセルが新たに発生しないか継続して測定
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