CTA 報告133：
CTA大口径望遠鏡初号機の焦点面カメラ統合試験
野崎誠也, 稲田知大A, 猪目祐介B, 岩村由樹A, 大岡秀行A, 奥村曉C, 岡崎奈緒A, 折戸玲子D,片岡淳E, 片桐秀明F, 加藤翔A, 木村颯一朗G, 櫛田淳子G, 窪秀利, 郡司修一H, 小山志勇I,
今野裕介, 齋藤隆之A, 櫻井駿介A, 澤田真理J, 砂田裕志K, 高橋光成A, 高原大B, 田中真伸L,
辻本晋平G, 手嶋政廣A,M, 寺田幸功K, 門叶冬樹H, 中嶋大輔A, 中森健之H, 永吉勤K,
西嶋恭司G, 西山楽 K, 林田将明A, 馬場彩N, 平子丈, 深見哲志A, 増田周, 山本常夏B, 吉田龍生F,
Daniela HadaschA, Daniel MazinA, 他CTA-Japan consortium, 池野正弘L,O, 内田智久L,O京大理, 東大宇宙線研A, 甲南大理工B, 名大ISEEC, 徳島大理工D, 早稲田理工E,茨城大理F, 東海大理G, 山形大理H, ISAS/JAXAI, 青山大理工J, 埼玉大理工K,
KEK 素核研L, マックスプランク物理M, 東大理N, Open-ItO

CTA大口径望遠鏡（Large Sized Telescope:LST）• 低エネルギー側（20 GeV-3 TeV）に感度をもつ、口径23 mの望遠鏡
光検出器モジュール
焦点距離28 m

日本担当

視野4.5°

総重量120 t

バックプレーン＊24 V電源供給＊トリガー分配＊クロック分配

スローコントロール ボード＊PMT HV制御＊テストパルス生成

スペイン担当スペイン担当トリガー生成回路(裏面)

20秒で180°回転可能
焦点面カメラ
有効径 2.2 m
1855ピクセル
光検出器モジュール
×265

35 cm
日本担当 PMTユニット＊PMT(3.8 cm径)
＊CW高圧回路＊プリアンプ

日本担当

信号読出し回路1光検出器モジュールへの要求
LST読み出し回路への要求

チェレンコフ光（パルス幅~数ns）

夜光(数百MHz)とチェレンコフ光(パルス幅 数ns)を切り分ける

GHz波形サンプリング

約2000本のPMTを使用
発熱量を抑える

低消費電力

アナログメモリDRS4チップ（ASIC）

時間

1ns刻みでスイッチ切り替え・ MEG(μ→eγ崩壊探索)実験用に開発（Ritt et al. 2010）
・ キャパシタ 4096個(メモリ深さ4μs)×2系統 / 1チップ IN
GHz波形サンプリング+低速(33MHz)読み出しを低消費電力(88 mW/1系統)で実現

夜光（数百MHz）

・・

・・・

OUT
33MHzで読み出し

2

LST初号機用焦点面カメラ組み上げ・試験 現状①光検出器モジュール組み立て＆統合試験②カメラ メカニクス組み立て＆試験③北サイトでの望遠鏡建設②CIEMAT(マドリード)①IAC（テネリフェ島）③ラ・パルマ島（北サイト）

3

①光検出器モジュール統合試験 ＠IAC(テネリフェ)• モジュール19台 (PMT 133本)単位で試験を行い、合計で241モジュール(PMT 1687本)の性能評価を行った
試験項目＊ノイズレベル測定＊PMT運用電圧決定＊長期運用試験
セットアップ

複数のフィルターで光量を調整＊1光電子測定＊多光電子測定×1519モジュールから構成されるミニカメラ

5モジュールで問題あり→236モジュール(PMT 1652本)のデータを解析

4

アナログメモリDRS4 データ補正①• ノイズレベル0.2光電子以下が要求値

log

1光電子レベル = ~30 ADC = 7.3 mV- 読み出し回路単体でのペデスタル分布 ・ノイズレベル 0.19光電子
・長いテールをもった分布

ペデスタル分布1光電子レベル

標準偏差0.19光電子
電圧
100 [ADC]

0キャパシタ × 4096個・・・

12・・・

Event
番号

成分A

1001光電子レベル
IN+0dt

出力部分の残留電荷に起因しておこる

dtが小さいと電圧値が高くなる

電圧 [ADC]

dt = 各キャパシタでの読み出し時間間隔

IN-成分B
10us1ms

100mslog10(dt)

OUT
DRS45

アナログメモリDRS4 データ補正①• ノイズレベル0.2光電子以下が要求値

log

1光電子レベル = ~30 ADC = 7.3 mV- 読み出し回路単体でのペデスタル分布 ・ノイズレベル 0.19光電子
・長いテールをもった分布

ペデスタル分布1光電子レベル

標準偏差0.19光電子↓0.10光電子成分A0dt = 各キャパシタでの読み出し時間間隔成分Bが起こる条件を理解し、補正できた

・・・

Event
番号dt

以前、読み出し領域の最後のキャパシタ↓
成分Bが生じる

電圧 [ADC]100

キャパシタ × 4096個

12

電圧
100 [ADC]

1光電子レベル010us

1ms

100mslog10(dt) 6

アナログメモリDRS4データ補正②• 局所的に電圧が高くなり、spike状の偽パルス（成分A）が現れる
あるイベントの波形（無信号時）
電圧値 [ADC]

50スパイク状の偽信号
1光電子
レベル

0040

時間[ns]

ペデスタル

1光電子
レベル

分布

0

標準偏差
0.19光電子↓前頁の補正0.10光電子↓スパイク補正0.07光電子100 電圧[ADC]あるスパイクが起こるパターン
キャパシタ × 4096個
・・・

ひとつ前のイベントの読み出し領域の1・・・
Event
番号

最初のキャパシタの位置でスパイクが発生する

スパイク
1光電子
レベル

スパイク波高値
0.73光電子

スパイクの波高値分布０

電圧値100 [ADC]

イベント内にスパイクが混入する確率 = 4.8%
（読み出しキャパシタ数40の場合）

スパイクの前後のデータを用いて線形補間

71光電子測定あるチャンネルでの電荷分布ノイズあるチャンネルでの平均波形

1光電子

2光電子
-10
PMT 1652本の分布の平均値と標準偏差

S/N 比
7.1 ± 0.50
時間[ns]

PMT 1652本の分布の平均値と標準偏差

10

パルス幅
（FWHM）
3.0 ± 0.1 ns

チェレンコフ光信号と夜光信号を切り分けるのに必要な性能を確認

8

多光電子測定
リニアリティ

電荷量 [ADC x ns]

ダイナミックレンジを広げるため2系統のゲインを用いている

フィット関数との残差 誤差棒(黒):最小値・最大値（PMT 1652本の平均）誤差棒(赤/青):標準偏差高ゲイン系統+5%

赤：高ゲイン系統
青：低ゲイン系統-5%

140 光電子まで(高ゲイン)1-100 光電子まで(低ゲイン)20-1400光電子まで一次関数でフィット

1

10

100

1000

レーザー光量 [光電子](フィルターの減光率から推定)
特に低光量(減光率 大)で系統的なずれがある

1

10100

低ゲイン系統+5%-5%140 光電子から
100
レーザー光量 [光電子]1000

多くのPMTで±5%の範囲内におさまっている9電荷分解能電荷分解能（PMT1652本の平均）

電荷分解能（ΔQ/Q）

1

誤差棒(黒):最小値・最大値
誤差棒(赤/青):標準偏差

赤：高ゲイン系統
青：低ゲイン系統
望遠鏡全体
での要求値

0.1

高ゲイン系統140 光電子以上で回路側でサチュレーション

1

望遠鏡全体での最終目標
ポアソン
限界

10
100
1000
レーザー光量 [光電子]236モジュール（PMT 1652本）で要求値を最低限満たしていることを確認→日本で試験済みのモジュール（35モジュール）を合わせてLST初号機必要分（265モジュール）を確保

10

②カメラ メカニクス組み立て ＠CIEMAT(マドリード)
カメラ
制御機器

焦点面カメラ(フランス担当)

光学ガラス(日本担当)(日本・スペイン担当)

33モジュール
取付け済み（カメラ全体の1/8）（スペイン担当）

モジュールホルダー(スペイン担当)

光検出器モジュール

カメラ背面
基板取付け

空冷+水冷システム（スペイン担当）
5月

光検出器モジュール取付け完了

6月

カメラ統合試験(室内)7月

ラ・パルマ島に輸送

8月

カメラ統合試験(室内)9月

望遠鏡取付け、ファーストライト

11

まとめ• CTA大口径望遠鏡の光検出器モジュールの組み立て・統合試験を行い、これまでに計271モジュールの品質管理を終え、初号機必要分を確保した• 焦点面カメラ組み上げ中で、すでに1/8の光検出機モジュールの取り付けが完了した• 5月中に全モジュールの取り付け、7月にラ・パルマ島に輸送し、統合試験を経て、9月にファーストライトを迎える予定である
光検出器モジュール

初号機用焦点面カメラ

建設状況12