CTA報告135：CTA 小口径望遠鏡のトリガー性能の最適化
佐々井義矩, 大石理子 A, 奥村曉, 折戸玲子 B, 片桐秀明 C, 神本匠 D, 櫛田淳子 D,郡司修一E, 齋藤隆之A, 榊直人A, 高橋知也E, 種田裕貴D, 千川道幸F, 中森健之 E,西嶋恭司D, 三浦智佳C, 吉越貴紀A, 吉田龍生C, 李健F, 他 CTA-Japan コンソーシアム
名大ISEE, 東大宇宙線研 A, 徳島大総科 B, 茨城大理 C, 東海大理 D, 山形大理 E,
近畿大理工 F2018年 日本物理学会

2018年 3月22日
第73回年次大会（東京理科大学野田キャンパス）1

✴ Cherenkov Telescope Array (CTA)
Large-sized
Telescope（LST）

Medium-sized
Telescope（MST）

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

Schwarzschild-Couder
Telescope（SCT）

Small-sized
Telescope（SST）

D = 9.6 m
E = 200 GeV - 10 TeV
N = 25@South

GCT
ASTRI
Davis-Cotton

35@South
35@South
20@South

D=~4m
E = 5 - 300 TeV

LST

SST-1M

2 ASTRI

MST
GCT• 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

2© CTA consortium✴ 小口径望遠鏡（SST）- 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
GCT

Daives­Cotton 光学系

ASTRI©CTA consortium

SST-1M©CTA consortium©CTA consortium✴ 小口径望遠鏡（SST）- 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
GCT
32 カメラモジュール©CTA consortium©CTA consortium

焦点面カメラ（2048画素）©浜松フォトニクス

SiPM（64画素）©CTA consortium

カメラモジュール（集積回路により波形記録）

✴ 半導体光電子増倍素子（SiPM）- 検出効率が高い（最大約55%@402 nm）- 月光下でのガンマ線観測が可能- オプティカルクロストーク
アバランシェ増幅時に、２次光子が発生し、他の増幅セルで検出される•©浜松フォトニクス

SiPM（64画素）
1画素の一部を拡大

50 mV

3 p.e.
2 p.e.

光子空気層
保護層2次光子

1 p.e.

APDセル
10 ns

トレンチ

2次光子
1画素

©浜松フォトニクス

オプティカルクロストークの抑制については、
5

CTA 報告136（中村）で詳しく述べる✴ オプティカルクロストーク（OCT）のトリガーへの影響
理想的な場合は、低エネルギーガンマ線 or 陽子（OCTなし）

2 p.e.

3 p.e.

レベル1トリガー：
トリガー閾値
1.5 p.e.
夜光（1 p.e.）

夜光

ダーク

現実には、
レベル1トリガー：

8 p.e.

10 p.e.

トリガー閾値
1 p.e.
夜光（1 p.e. + OCT）

夜光（複数） ダーク＋OCT• 夜光は、常に 1 p.e. とは限らない（クロストークやパイルアップ）• 低エネルギーガンマ線の有効面積減少及びエネルギー分解能悪化
6✴ 光検出効率（PDE）とオプティカルクロストーク（OCT）
OCT [%]

By N. Yamane

良い悪い

悪い

良い

• PDE と OCT は超過電圧（OV = 印加電圧 - 降伏電圧）の関数• これまでに多数の製品の測定@名大が行われてきた（山根講演など）- OV が大きくなると、PDE は良くなる- OV が大きくなると、OCT が大きくなる（>30%）- OV が大きいと PDE が良くなるが、反対に OCT は悪くなる
7

Photon Detection Efficiency [%]✴ PDE vs OCT

By N. Yamane

高 PDE 低 OCT が良い

60

どこが最適か？
5040
REF-3050-S-940N
LCT5-3050-S-966N
LCT5-3075-S-109N
LCT5-6075-S-1N
LCT5-6050-S-80N
LCT5-3050-E-1N
LCT5-3050-E-665N
LVR-3050-S-1N
LVR-6050-S-1N
LVR-6075-S-1N
LVR2-6050-S-6N
LVR2-6050-N-14N
LVR2-7050-N-11N
LVR2-7050-S-1N
Hexagonal-SiPM-A1
NUV-6030-0
FBK-SiPM
FJ-6035-09

302010005101520253035404550

Optical Crosstalk Rate [%]• GCT にとって、最適な PDE と OCT の組み合わせを見つけたい• 本研究では、異なる PDE と OCT の組み合わせに対し、GCT でトリガー可能なガンマ線事象数を見積もり、比較を行う
8✴ シミュレーション方法• 4つの GCT 望遠鏡を設置• ガンマ線や陽子（dN/dE E-2.7）を発生させる

トリガーレート

1. CORSIKA（空気シャワー） と sim̲telarray（光学系、エレキ、トリガー）
による GCT のシミュレーション
夜光
陽子

閾値

2. 夜光と陽子のシミュレーションを行い、閾値（レベル1トリガー）を決定する• Th : 夜光よりも陽子が優位になる閾値• Th : Th より 1 p.e. 高く、夜光が十分少なくなる閾値• トリガー頻度をカメラの最大取得レート（<600 Hz）以下に抑える
NSB<p+1 p.e.

NSB<p2ピクセルトリガー

3. トリガーされたガンマ線の数を、異なる条件同士で比較する• レベル2トリガー：2、3、4ピクセルトリガー• レベル3トリガー：アレイトリガーあり（100 ns の窓幅）or なし• 異なる PDE, OCT の組み合わせに対してシミュレーション-

PDE, OCT: (28%, 1%), (54%, 33%)
93ピクセルトリガー

4ピクセルトリガーPhoton Detection Efficiency [%]✴ PDE vs OCT
60

By N. Yamane

高 PDE 低 OCT が良い

PDE 54% OCT 33%

どこが最適か？
5040
REF-3050-S-940N
LCT5-3050-S-966N
LCT5-3075-S-109N
LCT5-6075-S-1N
LCT5-6050-S-80N
LCT5-3050-E-1N
LCT5-3050-E-665N
LVR-3050-S-1N
LVR-6050-S-1N
LVR-6075-S-1N
LVR2-6050-S-6N
LVR2-6050-N-14N
LVR2-7050-N-11N
LVR2-7050-S-1N
Hexagonal-SiPM-A1
NUV-6030-0
FBK-SiPM
FJ-6035-09

30

PDE 28% OCT 1%
2010005101520253035404550

Optical Crosstalk Rate [%]• GCT にとって、最適な PDE と OCT の組み合わせを見つけたい• 本研究では、異なる PDE と OCT の組み合わせに対し、GCT でトリガー可能なガンマ線事象数を見積もり、比較を行う
10Trigger rate (Hz)✴ 閾値の決定（アレイトリガーなし）
107

夜光

106
PDE28%, OCT1%

105
104

PDE54%, OCT33%

陽子

103
102

PDE28%,
PDE28%,Proton,
陽子, 2 Pixel2
pixel
PDE28%,PDE28%,Proton,
陽子, 3 Pixel3
pixel
PDE28%,
PDE28%,Proton,
陽子, 4 Pixel4
pixel
PDE28%,
NSB,
Pixel2
PDE28%, 夜光, 2 pixel
PDE28%,
PDE28%,NSB,
夜光,Pixel3
3 pixel
PDE28%,
NSB,Pixel4
PDE28%, 夜光, 4 pixel
PDE54%,PDE54%,Proton,
陽子, 2 Pixel2
pixel
PDE54%,
Proton,Pixel3
PDE54%, 陽子, 3 pixel
PDE54%,PDE54%,Proton,
陽子, 4 Pixel4pixel
PDE54%,NSB,
Pixel2
PDE54%, 夜光, 2 pixel
PDE54%,PDE54%,NSB,
夜光,Pixel3
3 pixel
PDE54%,
NSB,
Pixel4
PDE54%, 夜光, 4 pixel

ThNSB<p Th+1 p.e.

ThNSB<p

カメラのトリガー
レート許容範囲

24

68111012Pixel
threshold (p.e.)閾値（p.e.）Effective area × E-1.7 (arb. unit)✴ トリガーされたガンマ線イベント（アレイトリガーなし）
PDE28%,
Aggressive,
Pixel2
PDE28%,Th
NSB<p610

PDE28%,
Conservative,
Pixel2
PDE28%,Th+1 p.e.
PDE54%,
Aggressive,
Pixel2
PDE54%,Th
NSB<p
PDE54%,
Conservative,
Pixel2
PDE54%,Th+1 p.e.

1052ピクセルトリガーのみ
104

103

10−1

11012102
Energy (TeV)Trigger rate (Hz)✴ 閾値の決定（アレイトリガーあり）
107

夜光

106
10PDE54%, OCT33%

PDE28%, OCT1%

5PDE28%, 陽子, 2 pixel
PDE28%,
Proton,Pixel2
PDE28%,Proton,
陽子, 3 pixel
PDE28%,
Pixel3
PDE28%,
陽子,
4pixelPDE28%, Proton, Pixel4
PDE28%,NSB,
夜光, 2pixel
PDE28%,
Pixel2
PDE28%,NSB,
夜光, 3pixel
PDE28%,
Pixel3
PDE28%,
Pixel4
PDE28%,NSB,
夜光, 4pixel
PDE54%,
Pixel2
PDE54%,Proton,
陽子, 2 pixel
PDE54%,
Proton,Pixel3
PDE54%, 陽子, 3 pixel
PDE54%,
Proton,Pixel4
PDE54%,
陽子,
4pixel
PDE54%, NSB, Pixel2
PDE54%,NSB,
夜光, 2pixel
PDE54%,
Pixel3
PDE54%,NSB,
夜光, 3pixel
PDE54%,
Pixel4
PDE54%, 夜光, 4 pixel

104

陽子
103

ThNSB<p

ThNSB<pTh+1 p.e.

Th+1 p.e.

102

2468
131012Pixel
threshold (p.e.)閾値（p.e.）Effective area × E-1.7 (arb. unit)✴ トリガーされたガンマ線イベント（アレイトリガーあり）
PDE28%,
Aggressive,
Pixel2
PDE28%,Th
NSB<p610

PDE28%,
Conservative,
Pixel2
PDE28%,Th+1 p.e.
PDE54%,
Aggressive,
Pixel2
PDE54%,Th
NSB<p

105

PDE54%,
Conservative,
Pixel2
PDE54%,Th+1 p.e.

2ピクセルトリガーのみ
104

103

10−1

11014102
Energy (TeV)Numberof
oftriggered
triggered gammas (arb.unit)(arb. unit)
Number✴ アレイトリガーあり/なしの比較
×103
PDE28%,
Aggressive
PDE28%,ThNSB<p
PDE28%,
Conservative
PDE28%,
Th+1 p.e.
PDE54%,
Aggressive
PDE54%,ThNSB<p
PDE54%,
Conservative
PDE54%,
Th+1 p.e.
PDE28%,
Aggressive,AT
PDE28%,ThNSB<p, AT
PDE28%,
Conservative,AT
PDE28%,
Th+1 p.e., AT
PDE54%,
Aggressive,AT
PDE54%,ThNSB<p, AT
PDE54%,Conservative,AT
PDE54%,Th+1 p.e., AT

1400
Best

1200
1000

AT：アレイトリガーあり

800
600
400
200
2ピクセルトリガー

3ピクセルトリガー
154ピクセルトリガー✴ まとめ• 以下の PDE と OCT の組み合わせに対し、CORSIKA と simtelarray でシミュレーションを行った- PDE, OCT: (28%, 1%), (54%, 33%)
• 上記の組み合わせの中で、ベストなケースは PDE 54%、OCT 33%、2ピクセルトリガー、アレイトリガーあり

Photon Detection Efficiency [%]• 今後、さらにベストなケースを探す- 例えば、PDE, OCT: (54%, 33%), (50%, 10%) どちらが最適か？
• さらなる課題- Higher NSB rate
- イメージング解析
60

PDE 54% OCT 33%

50

40

REF-3050-S-940N
LCT5-3050-S-966N
LCT5-3075-S-109N
LCT5-6075-S-1N
LCT5-6050-S-80N
LCT5-3050-E-1N
LCT5-3050-E-665N
LVR-3050-S-1N
LVR-6050-S-1N
LVR-6075-S-1N
LVR2-6050-S-6N
LVR2-6050-N-14N
LVR2-7050-N-11N
LVR2-7050-S-1N
Hexagonal-SiPM-A1
NUV-6030-0
FBK-SiPM
FJ-6035-0930PDE 28% OCT 1%2010005101520253035404550

Optical Crosstalk Rate [%]