CTA報告112：
CTA大口径望遠鏡初号機用カメラ試験（１）1⁄14モデル ミニカメラ試験（２）LST2-8号機以降搭載用 読み出し回路開発
野崎誠也，石尾一馬A,B，猪目祐介C，大岡秀行A，奥村曉D，折戸玲子E，片桐秀明F，岸田柊C，窪秀利，櫛田淳子G，郡司修一H，小山志勇I，今野裕介，齋藤隆之，高橋光成A，武田淳希H，
田中真伸J，谷川俊介，辻本晋平G，手嶋政廣A,B，寺田幸功K，友野弥生G，中嶋大輔A，中森健
之H，永吉勤K，西嶋恭司G，林田将明A，馬場彩L，増田周，山本常夏C，吉田龍生F，Dang
Viet Tan F，Daniela Hadasch A，Daniel MazinA,B，他CTA-Japan consortium，池野正弘
J,M，内田智久J,M京大理，東大宇宙線研A，Max-Planck-Inst. fuer Phys. B，甲南大理工C，名古屋大ISEED， 徳島大理工E，
茨城大理F，東海大理G, 山形大理H，JAXA宇宙科学研I，KEK素核研J，埼玉大理工K，東大理L，Open-ItM

CTA大口径望遠鏡（LST）• 20GeV-1TeVに焦点を当てた口径23mの望遠鏡• 南北サイトに4台ずつ建設• CTA-LST初号機は2017年ファーストライト予定
LST~100t

23m

フロントエンドボード

有効径
2.2m

28m

1855
ピクセル

焦点面カメラPMT×7
PMTモジュール

焦点面カメラは1855ピクセル
LST1台あたりPMTモジュール×265個
1PMTモジュールあたりPMT×7個

1PMTモジュールの構成
スローコントロール ボード••

バックプレーン ボード

PMT HV制御
テストパルス生成 etc...

•••

24V電源供給
トリガー分配クロック分配フロントエンドボード
アナログメモリASIC”DRS4”を採用
PMTユニット×7・PMT(1.5インチ径)
・CW-HV・プリアンプ

 GHz高速サンプリング→夜光バックグラウンドを効果的に排除
 低速ADC読出し → 低消費電力（１）1⁄14モデル ミニカメラ試験（２）LST2-8号機以降搭載用 読み出し回路開発について報告する

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1⁄ モデル ミニカメラ試験
14• 19PMTモジュール(133ピクセル)で構成される 1⁄14モデルのミニカメラを用いて、性能評価を行った– 3.3V電源問題解決– 読出し回路全数性能評価と同項目の試験（ノイズ分布測定 etc…）– PMT全数性能評価試験との比較– 別日測定による再現性実験 etc…

PMT
モジュール
×19（133ピクセル）

モニター
画面

ミニカメラ

3

ミニカメラ試験セットアップ

PMT
133ピクセル

球面鏡

スポット
クーラー

~2m+24V
電源
パルス光

球面鏡(f=1.65)

バックプレーン

PMT
モジュール
ホルダー ×19

イーサネット
スイッチ

レーザー
ダイオード

トリガーパルス
ジェネレータートリガー
インターフェース
ボード

DAQ
PC

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ミニカメラ試験 試験結果
• 3.3V電源問題解決

負荷をかけた際（DAQ開始時など）に読み出し回路上の電源電圧が少し低くなり、通信エラーを起こすモジュールがあった→レギュレータからの出力電圧（3.3V）を微増することで解決• 読出し回路 全数性能評価試験と同項目の試験をミニカメラ試験においても行った
ノイズ分布
RMS~
0.2phePreliminary

5

ミニカメラにおいても、読出し回路 全数性能評価試験で確認された性能を示すことがわかった
5

ミニカメラ試験 試験結果
• PMT全数性能評価試験のデータと、ミニカメラ試験でのデータを比較した– PMT Nominal Voltage（1光電子測定でGain=40000のときのHV）
PMT Nominal VoltageのPMT全数性能評価試験との比較
ミニカ
メ
ラ
試
験
[V]
PMT全数性能評価試験[V]

RMS
~18V

全数性能評価試験とミニカメラ試験とでデータに差があることがわかった
原因については調査中

6

ミニカメラ試験 試験結果
• 再現性が保証されているかを別日測定で確認した– PMT Nominal Voltageを1日後に再度測定した
PMT Nominal Voltageの別日測定
測定
2
回目
[V]

RMS~6V
再現性◎
測定1回目[V]

この誤差はゲインカーブのfitをしたときの誤差に起因し、この誤差から計算した値とconsistent7

LST初号機スケジュール• 35PMTモジュール(245ピクセル)をスペインに発送済み• 1号機筐体を用いた試験中@スペイン• 日本でのミニカメラ試験が終わり次第、順次残りのPMTモジュールも現地に発送していく

初号機用
カメラ筐体
PMTモジュール
@Ciemat(Spain)8

LST2-8号機搭載用 読出し回路基板開発• これまでの試験等を踏まえ、読出し回路に新機能を追加
DRS4 タイミング
キャリブレーション回路
メインアンプ

アナログ
メモリ
DRS4×8電圧モニター回路

レギュレータ

PMT×7からの信号

ADC

温湿度センサー

FPGA

温度センサー99

DRS4タイミングキャリブレーション
アナログメモリ”DRS4”

キャパシタ(1024個)/1ch・キャパシタ1024個×9chのスイッチトキャパシタアレイ
・1nsecごとにスイッチON/OFF切替え（1GHzサンプリング時）
input→スイッチ切替え時間にばらつきが存在する×9ch

低速
読出し

sin波を用いたキャリブレーション
スイッチ切替え時間間隔

黒点：データ点
赤線：fit関数

1ns
時間ずれを補正

電荷分布

黒：キャリブレーション前
赤：キャリブレーション後

0ns

2ns

数100psecずれているセルが存在する

電荷分解能を6%→2%にすることが可能
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DRS4タイミングキャリブレーション•

タイミングキャリブレーション回路に対してシミュレーションを行った

オシレータ（30MHz）

ローパスフィルター
DRS4シュミットトリガ
バッファ

バッファ
アンプ

DRS4入力波形(赤線：fit関数)()内は30MHz成分に対する割合

850mV

フーリエ変換

100mV

30M
60M
(0.56%)

50mV

Fit関数との残差
0.1%

100uV

30MHzのみ取り出せている
90M(0.19%)

10uV

キャリブレーションに十分な精度のsin波を生成できることをシミュレーションで確認

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読出し回路基板変更点&スケジュール
••
•
•
•

温湿度センサーの追加
レギュレータ用ADC（電圧モニター用）追加
基板上LEDのON/OFF機構（デバッグ用）追加
FPGAユニバーサルピン（デバッグ用）追加
24V電源パスコンのサイズ縮小 etc...

• 現在、回路図はfixし、基板図作成中• 年内に試作機が完成&試験• 来年度前半までに、LST2,3,4号機（北サイト）用に計1000枚を量産予定

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まとめ
• PMTモジュール19クラスタで構成される1⁄14モデルのミニカメラでの性能評価を行い、大きな問題はなかった• ミニカメラ試験を終えたPMTモジュールに対し、初号機用カメラ筐体での試験がスペインで行われ、2017年ファーストライトに向けた準備が進められている• LST2-8号機搭載用読み出し回路の開発を行っており、現在は基板図作成中で、来年度前半までの量産を予定している
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