CTA報告169:
CTA大口径望遠鏡2−4号機
焦点面カメラモジュールの組立および性能試験(II)高橋光成A，猪目祐介 A，今川要B，岩村由樹A，大岡秀行 A，岡知彦B，岡崎奈緒A，奥村曉C，D，折戸玲子E，梶原侑貴B，片桐秀明F,
川村孔明G，櫛田淳子H，窪秀利B，郡司修一I，小林志鳳A，齋藤隆之A，櫻井駿介 A，佐々木寅旭J，鈴木萌F，砂田裕志J，立石大J，
田中真伸K，塚本友祐G，手嶋政廣A，L，寺田幸功J，中森健之I，生天目康之H，西嶋恭司H，野上優人F，野崎誠也B，野田浩司 A，Daniela Hadasch A，古田智也H，Daniel Mazin A，L，山本常夏G，吉田龍生F，他 CTA-Japan Consortium，池野正弘K，M，Antonios DettlaffL(所属)
東大宇宙線研 A，京大理B，名大ISEEC，名大KMID，徳島大理工E， 茨城大理F，甲南大理工G，東海大理H，山形大理I，埼玉大理J、KEK素核研K ，マックスプランク物理L，Open−ItM

LST2-4号機カメラモジュールのLST1からの主な変更点
カメラモジュール：７本の光電子増倍管（PMT）とアンプ、集光器、読み出し基板、制御基板などから成る
望遠鏡あたり265モジュールでカメラが構成される
PMTの変更点

カメラモジュール

• 段数を８段から７段に•比較的低ゲインでもパルス幅を短くでき、寿命の改善を見込める

信号読み出し基板

読み出し基板の変更点• サンプリング時刻較正のためのサイン波生成回路を搭載• 供給電圧および温湿度のモニタリング回路を搭載• モジュール間のトリガー時刻のばらつきを抑えるため、トリガー信号にFPGAをバイパスさせる
2

LST1号機用カメラモジュール試験については野崎他(18年年会) を参照

動作確認・特性評価試験

ラパルマ島（望遠鏡サイト）

LST 2—4用約1,000個のカメラモジュール組み立てをほぼ完了
モロッコ

効率化のため、PMTについてはモジュールに組んでから試験した• LST1では先だってPMT単体の試験を実施したがエラー

テネリフェ島率が低かった事を踏まえた（IACオフィス）

２段階に分けて組み立て・試験を実施した
1.2019年６月—８月、柏市の宇宙線研究所で220モジュー
ルを組み立て・試験した

IACオフィスでの組み立て作業風景

2.2020年１月—３月、テネリフェ島のIAC (Institute ofAstrophysics of the Canary Islands) オフィスで800モジュールを組み立て、うち437モジュールを試験した

測定結果はデータベースに登録してカメラの開発・運用・保守に活用する3データおよびDAQ・測定セットアップ

印加電圧等の設定

電力供給デバイス
Raspberry Pi
コンピューターパルサー・（20チャンネル制御）

光量設定

1.6 m

LD

モジュールオン・オフ指令

フィルター
ホイール

トリガー設定2.0 m

トリガー信号
Raspberry Pi
コンピュータートリガー生成デバイス

19モジュール

ネットワークスイッチ

メインコンピューター

3.6 m
遅延トリガー信号（１本）
4

データおよびDAQ・測定セットアップ

印加電圧等の設定

電力供給デバイス
Raspberry Pi
コンピューター

オペレーション用ソフトウェアを制作
し、制御・測定・解析を一元化

パルサー・（20チャンネル制御）

光量設定

1.6 m

LD

モジュールオン・オフ指令

フィルター
ホイール

トリガー設定2.0 m

トリガー信号
Raspberry Pi
コンピュータートリガー生成デバイス

3.6 m

19モジュール

ネットワークスイッチ

メインコンピューター

モジュール交換のため開閉可能
遅延トリガー信号（１本）

5

データおよびDAQ・光源ボックス

印加電圧等の設定

電力供給デバイス
Raspberry Pi
コンピューターパルサー・（20チャンネル制御）

光量設定

1.6 m

LD

モジュールオン・オフ指令

フィルター
ホイール

トリガー設定2.0 m

トリガー信号
Raspberry Pi
コンピュータートリガー生成デバイス

19モジュール

ネットワークスイッチ

メインコンピューター

3.6 m

遅延トリガー信号（１本）

6

データおよびDAQ・モジュールホルダー（前面）印加電圧等の設定
電力供給デバイス
Raspberry Pi
コンピューターパルサー・（20チャンネル制御）

光量設定

1.6 m

LD

モジュールオン・オフ指令

フィルター
ホイール

トリガー設定2.0 m

トリガー信号
Raspberry Pi
コンピュータートリガー生成デバイス

19モジュール

ネットワークスイッチ

メインコンピューター

3.6 m

遅延トリガー信号（１本）

7

データおよびDAQ・モジュールホルダー（背面）印加電圧等の設定
電力供給デバイス
Raspberry Pi
コンピューターパルサー・（20チャンネル制御）

光量設定

1.6 m

LD

モジュールオン・オフ指令

フィルター
ホイール

トリガー設定2.0 m

トリガー信号
Raspberry Pi
コンピュータートリガー生成デバイス

19モジュール

ネットワークスイッチ

メインコンピューター

3.6 m

遅延トリガー信号（１本）

8

試験項目
２つのパートからなる
読み出し基板単体の試験（PMTオフ、モジュール全体の試験（PMTオン、信号源: テストパルス）

信号源: レーザーダイオード）

接続先の諸基板との通信

PMT運用電圧（ゲイン40,000を与

ドミノサンプリング回路のオフ

える印加電圧）

セット値

パルス幅

ノイズレベル

シグナル-ノイズ比

タイミングジッター

リニアリティ

リニアリティ

レートスキャン

パルス幅

アフターパルス発生確率

入力チャンネル間のクロストーク
温湿度計
サイン波生成回路
9試験結果とリカバリの見通し→原因はファームウェアにありモジュール自体は問題無いとみられる

読み出し基板リニアリティ
レートスキャン
PMTアフターパルスPMT出力
読み出し基板クロストーク
読み出し基板出力電荷
読み出し基板ノイズモジュールS/N
読み出し基板EEPROM
PMTゲイン
PMT電圧モニタリング
PMTリニアリティ
その他→再測定・個別に調査測定した657モジュール中、589モジュールに→PMTを交換する→PMTを修理または交換する

ついて合格と判定→解析法を再検討• 不具合を修理したものを含む→解析法を再検討→個別に調査不良のうち、21モジュールはハードウェア自→PMTを交換する

体は問題無いと見られる→原因判明済み、修正を行う• これらを除くと不良率は7%→PMTまたはプリアンプを交換する

最終的な不良率は5%以下になる見通し→PMTを修理する→PMTを交換する• 24モジュールはPMT等の修理・交換で対処する→個別に調査05

10152025• この他のモジュールについてもデバッグを行う• 一部はモジュール外部や解析が原因の可能性がある10信号読み出し基板
PMTをオフにした状態で信号読み出し基板単体の試験を行った
結果

読み出し回路ノイズレベルの分布

ノイズレベルは平均±標準偏差: 15.9±2.3 ADC
カウント

450
400

要求の18 ADCカウント (0.2光電子相当) を350大まかに達成

水準
新たに搭載したサイン波生成回路・温湿度計
は正常に動作しているHigh Gain
Entries
4529
Mean
15.91
2.383
RMS

300

Entries

cf. LST1の13.8±1.1 ADCカウントとほぼ同0.2光電子相当（647モジュール×7ピクセル）

250
200
150
100
500051015
RMS [ADC]

20253011PMT運用電圧
望遠鏡はPMTのゲインがおよそ40,000になるよう運用する➡このゲインを与える印加電圧を測定した• PMT間で運用電圧の差が大きすぎると信号出力のタイミングがずれ、トリガー信号の足し合わせ（アナログサムトリガー）が出来なくなる
結果
1060—1211 Vに分布
• この範囲であれば遅延回路によりトリガー信号のタイミングを揃えられる
平均±標準偏差: 1136±33 V• cf. LST1の1061±29 Vよりやや高い
以降の測定はここで定めた印加電圧で実施
PMT運用電圧 [V]1210S/N
6.0 σ2
F fit 1.142
F sbt 1.56310シグナル/ノイズ比
10210S/N
5.6 σ
2F fit 1.292F sbt 1.4132

結果 1010

光量が1光電子/パルス以下の微弱な光を照1射し、1光電子に対するシグナル/ノイズ(S/−1000100200300400500
ADC Charge in 5 cellsN) 比を測定

概ねS/N>4を満たす
1
平均±標準偏差: 5.6±0.6−1000100200300400500

ADC Charge in 5 cells• cf. LST1では7.1±0.5

イベント数

読み出し基板とともに低ノイズ性を確認で10105σ43Gain(3.9±0.9)e4
1 p.e.@1400 V(92±2) ADC
S/N
6.7 σ2
F fit 1.102
F sbt 1.61104321010101110−10001002003004005σ

きた10500

ADC Charge in 5 cells

5 ns中の電荷量 [ADCカウント]Gain(3.9±0.9)e4
1 p.e.@1400 V(91±2) ADC
S/N
6.3 σ
2
F fit 1.112
F sbt 1.572−1000100200300400500

ADC Charge in 5 cells

S/N比
1345σ

Gain
1 p.e.@1400 V(3.8±0.8)e4(89±2) ADC

パルス時間幅
結果
約300 MHzで１光電子が入射する夜光バックグ

2.4 ns—3.4 nsに分布ラウンドの影響を抑えるために重要

平均3 ns以下という要求を満たしているverage 高速(~80Pulseps)のパルス光を照射
shape at Nominal Voltage
平均±標準偏差: 2.8±0.2 ns

多数のイベントを平均した波形をガウス関数で

cf. LST1では3.0±0.1 ns

フィットし、標準偏差を半値全幅に変換

FWHM=2.96 ns

250

FWHM=2.68 ns

250

200

150

FWHM=2.59 ns

3.0 ns

200

200

150

150

100
100

100

5050

50

00−20−15−10−505101520[ns]−200−15−10−5051015

20−20−15−10−505
パルス幅(FWHM)[ns]10151420

Entries
Mean
RMS

793
4.6
4.578

htime

Entries

Entrieshcharge

Entries
Mean
RMS102

アフターパルス発生確率
102

APP > 4 p.e. = 1.6e-04 -+ 1.2e-05

793
1027
586.2

AP count: 2.4e+02, Event: 5.0e+04

結果
1010
望遠鏡のエネルギー閾値を決定する要因の一つ

多くのPMTは要求の0.02%以下を満たす

経年や増倍過程に伴う増減がある

平均±標準偏差: 0.0176±0.0003%• 参照: 櫻井他@18年年会

ヘリウムイオンと思われる成分が最も多い

1

1

強いパルス光を照射し、2 us後までの電荷が4一部はアルゴン（もしくはCO2）イオン

光電子相当以上のアフターパルスをカウント

も目立つ

51015202530
Pulse height (p.e.)

0Pulse height (p.e.)

パルス電荷量 [光電子]Result_afterpulse_FEB008_pix_4
hap30

25200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
cell number from laser peak

ヘリウムピークEntries
Mean xMean y
RMS x
RMS y

793
1810274.6
16586.3
4.578

2014120.02%

010158105644光電子

200200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Cell number from laser peak0[ns]アフターパルス発生率 [%]

15

まとめ
CTA大口径望遠鏡2, 3, 4号機建造に向け、カメラモジュールの製作・試験を行ってきた• 効率化のため、読み出し基板とPMT別々ではなく統合した状態で試験した• テネリフェ島のIACオフィスでは、１９モジュールを同時に測定できる組み立て・分解可能なシステムを構築
新たに搭載した機能は想定通り動作している
これまでにおよそ望遠鏡２基分のモジュールについて合格と判定• 不合格率は約7%だが最終的には5%以下にできる見込み• このペースであれば望遠鏡３基分は問題無く確保できそう
低エネルギー閾値実現に必要な良好なノイズ特性・時間特性を示している
2021年初めから3月ごろにかけて残りのモジュールの試験と、不合格だったモジュールのデバッグを行う予定
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