2015年度課題研究P6 林 秀輝 大西 里実 到来したガンマ線が大気と相互作用したときに生成される空気 シャワーからのチェレンコフ光を観測することで、ガンマ線の到 来方向をみる 現在は光検出器として光電子増倍管が使われている →次世代のTeVガンマ線望遠鏡としてMPPCが検討されている MPPCを用いてチェレンコフ光を観測したい http://www.cta-observatory.jp/より抜粋 ガイガーモードAPDをマルチピクセル化したフォトンカウ ンティングデバイス 実験に用いたのはS12572-015C（ピクセル数40000、 端子間容量320pF） ・優れたフォトンカウンティング能力 ・低電圧で動作（~70V） ・増倍率 ・検出効率25% ・高速応答 ・優れた時間分解能（400ps） 浜松ホトニクス社HPより引用 3mm 3mm • • • 多数のピクセルからなるので１つのピクセルに2つ以上のフォトンが 入射することはほぼないとみなせる (今回では、入射光≪40000フォトンの範囲で) 各ピクセルからの出力パルスは入射フォトン数によって変化しない ピクセルそれぞれがフォトン検出時に同じ形のパルスを出力 フォトンを検出したピクセルからの出力の重ね合わせが 検出したフォトン数に対応する 夜光（バックグラウンド）の検出が数100MHz程度 平均約10nsに一回、光を検出 パイルアップを防ぐため、光を検出する際のパルス幅を10ns 以下にしたい 10ns以下 MPPCからの出力を10ns程度のパルスとして観測する ための回路を作成する ・回路シミュレータ(SPICE)で回路を見積もり、実際に作成する ・LEDを光らせて、1p.e.程度の光を 出し、それをMPPCで読みだすことで 図のようなスペクトルを得る パルス幅の小さい回路の作成のため、まず、回路シミュレータ LTspiceを用いて波形を見積もる MPPCを表現した部分 MPPCに関してはスパイスモ デルが公開されていないため、 この他に数パターン作成して 比較検討しつつ進めた 一昨年の実験で使用された回路を シミュレーションで再現 減光板 MPPC LED オペアンプ用電源 暗箱 MPPC用 高電圧電源 パルスジェネレーター アンプ pulser FAN IN/OUT FAN IN/OUT DRS4 評価ボード シミュレーションでうまくいっても実際につないだ回路ではシミュレーション 通りの波形が出力されない シミュレーション 実際の出力 実際は回路内のインピーダンスの不整合による反射や、オペアンプのス パイスモデルの精度、等々により うまくいかないと考えられる シミュレーションした中でよさそうな回路から、実際の回路をつなぎ変えた り試行錯誤を繰り返して1p.e.を見れるように工夫した インピーダンス整合のためにつけた 抵抗 電荷積分型前置増幅器 ポールゼロキャンセル 回路 いくつかのオペアンプを回路につないで動かしてみたところ、それぞ れに全く異なった波形が得られた 性能により違いが生まれるのだと考えられる 比較検討した結果、アナログデバイセズ社のAD8055を採用した <AD8055> 高速、低ノイズのオペアンプ ・バンド幅 300MHz以上 ・スルーレート 1400V/μs ・入力電圧ノイズ 6nV/√Hz ・入力電流ノイズ 1pA/√Hz ・入力オフセット電圧 max 5mV 約30ns程度のパルス幅 ピークの両側で時間積分することで、MPPCの出力電 荷に比例する量を算出した（10000イベント分） 減光板を透過する 光を50%,30%,10%と 減らしてみた 電圧（V） 30ns 時間（×0.2[ns]） pedestal 1p.e. 2p.e. 3p.e. 50% 30% ダークカウント 10% 光なし 縦軸はイベント数、横軸は積分した値（V・ns） イ ベ ン ト 数 σ μ [V・ns] S/N比とは、Signal/Noiseであり、 S/N = μ/σ で計算される → この測定時の S/N = 3.96 ※チェレンコフ望遠鏡で使うためにはS/N=5以上であることが 望ましいとされている 計算から得られた降伏電圧は約65.28V データシートより、 1ピクセルあたりの静電容量は （=C） 増倍率 から、（eは電気素量） 70Vでの増倍率は 0.4 [V・ns] y = 0.0575x - 3.7212 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 65.28[V] 0.05 0 65 65.5 66 66.5 67 67.5 68 68.5 69 69.5 70 70.5 71 71.5 [V] 結論としては、1p.e.スペクトルはとれたが、パルス幅を 10ns以下に落とすことはできなかった（30nsまで） S/Nを保ちながら（スペクトルが見られるようにしなが ら）パルス幅を小さくすることはなかなか困難であった パルス幅を10ns以下にするには・・・ ・性能の良いオペアンプを使う（高速・低ノイズ） ・微分回路を多段にする － ノイズを落とす
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