CTA大口径望遠鏡用PMTの性能評価と較正試験報告!

松岡俊介, 小山志勇, 寺田幸功, 永吉勤(埼玉理), 猪目祐介, 山本常夏(甲南大理),
梅津陽平, 櫛田淳子, 辻本晋平, 友野弥生, 西嶋恭司(東海大理), 大岡秀行, 荻野桃子,高橋光成, 手嶋政廣, 中嶋大輔, 花畑義隆, 林田将明(東大宇宙線研), 折戸玲子(徳島大総科)片桐秀明(茨城理), 窪秀利(京大理), 郡司修一(山形大理), 澤田真理, 坪根善雄,馬場彩(青山大理), 他 CTA-Japan ConsortiumCTA計画

大口径望遠鏡観測エネルギー帯
20 Gev ~ 1 TeVLarge-Sized Telescope(LST)
Small-Sized Telescope(SST)
Medium-Sized Telescope(MST)

23 m
1855Pixels !
2015春季大会
全体報告(8):手嶋

1 Cluster = 7 PMTs

磁気シールド : パーマロイ(厚さ2mm)

PMT Image
光電子増倍管 7本

昇圧・分圧回路
プリアンプ

PMT開発の現状
光電子増倍管への開発要求(抜粋)- LST初号機用PMTの開発・量産は既に1.5インチ
光電面直径(40mm)終わっており2016年に望遠鏡に取付け予定となっている

有効波長領域- 現在納品されたPMT約2000本の全数試験を行っており、932本の較正試験が終了

感度
光電面・較正試験項目
標準動作ゲイン(4万)でのHV

パルス幅 :

300 - 650 nm
平均量子効率35%
スーパーバイア
ルカリ▶ 10年間でゲインの低下20%以下

平均2.5~3 ns (FWHM)▶ LSTのエネルギー閾値

After Pulse発生率:

2 10-4以下

20 GeVを達成

-CTA運用時では、PMTに対する地磁気の影響が考えられる- CTAのPMT性能評価として磁場に対する応答が確認されていなかった

PMTゲイン,時間特性の磁場依存性の検証及び地磁気レベルの磁場による出力電荷量変化がCTA要求を満たすか確認

Fractional Charge Resolution σQ/Q(p.e.)

本研究の目的CTA要求曲線~40%@10p.e.
~15%@100p.e.

1

10100

Charge Q(p.e.)

Pmt Cluster- 全数のPMTのCalが終了すると7PMT + 読み出しBoardの試験へと移る- クラスタでの試験において7本のPMT間で走行時間に差が生じると後段のトリガー

Calibration Dataから各PMTのボードで問題が生じる

走行時間を新たに調査した

磁場依存性 : Set Up
磁場依存性測定のSet Up

・PMTの性能評価として磁場依存性を検証
・地磁気による影響はCTA要求を満たすのか確認

コイル
PMT

・出力される波形の時間特性の磁場依存性を検証
コイルが作る磁場分布

光源

0.50

Magnetic Field [mT]0.45

暗箱内

0.40
0.35
0.30

X, Y, Z方向に磁場をかける0.250.200.15
0.100.05-4-Z

地磁気-3 -2 -1
0123Distance from the center [cm]4PMT+Y
Dy1+Z+X

Dy2-X

- 各磁場での平均波形をplot- 磁場の大きさは水色>マゼンタ>黄>青>緑>赤>黒- Z方向は磁場により波高値が大きく

Voltage [mV]

磁場依存性
X方向

落ちている

Time [ns]

Y方向

Z方向

磁場依存性Y,Z : require
X : require

・X,Y方向は0.42mTまで
Z方向は0.27mTまで要求を満たしている・地磁気の大きさはおよそ0.04~0.06mT・今回の測定において、かけた磁場の下限値は0.12mTでありその時のCharge Depositは2%以下

磁場依存性・PMTの時間特性が磁場により変化するか調べた
Peak Time

Fall Time

Fall Time : Pulseの立ち下がりでPeak波高値の10%~90%の間の時間

FWHM

Rise Time

Fall Time : Pulseの立ち上がりでPeak波高値の10%~90%の間の時間

・どのパラメータも明らかな磁場依存性は見られない

PMT Calibration : Set Up
Low Voltage
アナログメモリ式ADC

Dark Box

Sampling Rate : 5GHz
PreampDRS4

PMT
ﬁlter wheel

Preamp

DRS4

PMT
Light

PreampPMTPreamp

PMT

DRS4
DRS4

DAC , ADC

opticalﬁber

Diﬀuser

HV Ctrl PC

PC

Function
generatorHP

trigger line
PulserSignal Main PC
line

High Speed
Pulse

Laser
diode較正試験結果
After Pulse発生率
Pmts- 較正試験項目であるAfterPulse
発生確率、4万ゲインでのHV値、パルス幅(FWHM)の結果

302520- AfterPulse発生確率0.02%以下
パルス幅平均3ns以下を満たしている

要求値

1510

2015年春季物理学会
CTA報告90：永吉勉

500.05

0.10

Pmts

Pmts

平均~1037V

4030

0.200.25

AfterPulse Rate(/p.e.)

4万ゲインでのHV50

0.15

10-30.30

FWHM
160
140

平均~2.85 ns

120
100
80

2060
4010

要求値

20850

900

950

1000

1050 1100 1150
Voltage@4e4Gain [V]22.2 2.4 2.6

2.8

3

3.2 3.4 3.6 3.8 4
FWHM [ns]Transit Time Distribution
PMT Cluster

Transit Timeがばらばらだとトリガーボードで問題に- 現在の試験項目に加えTransit Timeを調査- 測定済みの全PMTの到着時間を調べた
トリガータイミングからprimary pulseまでの時間分布132- 波形記録用ADC(DRS4)の個性が見られる- trigger board上の遅延回路(最大5.75ns)で対応可能

Transit Time [ns]- 全体として3 - 4ns程度のばらつきを持っている

130
128

3~4 ns126124122120
940

960

980 1000 1020 1040 1060 1080 1100 1120

Voltage@4e4Gain [V]Summary
・性能評価試験- PMTの磁場依存性を検証した- 測定結果から見積もると地磁気(0.04 ~ 0.06mT)によるChargeの変化への寄与は上限値2%程であり、CTA要求値に対し十分小さいことが分かった

・較正試験報告- 現在937本のPMTの較正試験が終了している- 各測定項目において要求値を満たす結果が得られている- Transit Time Spreadについては各PMTごとで数nsのばらつきは見られるものの、後段のtrigger board上の遅延回路で十分対応可能である。
- 今後も残りのPMTの較正試験を進めていく