CTA 報告79: CTA大口径望遠鏡PMTモジュール開発と

CTA 報告79: CTA大口径望遠鏡PMTモ
ジュール開発と性能評価
中嶋大輔A
猪目祐介 B, 梅津陽平 C, 大岡秀行 A, 荻野桃子 A, 折戸玲子 D, 片桐秀明 E,櫛田淳子 C,
窪秀利 F, 郡司修一 G, 小山志勇 H, 澤田真理 I, 高橋光成 A, 辻本晋平 C, 坪根善雄 I, 手
嶋政廣 A,J, 寺田幸功 H, 友野弥生 C, 永吉勤 H, 西嶋恭司 C, 花畑義隆 A,林田将明 A, 馬
場彩 I, 松岡俊介 H, 山本常夏 B, 他 CTA-Japan Consortium
東大宇宙線研 A, 甲南大理工 B, 東海大 C, 徳島大総科 D, 茨城大理 E, 京大理 F, 山形大理 G, 埼玉大理 H,青山大理工 I, Max-Planck-Inst.fuerPhys.J
PMTモジュール R11920-100 (Hamamatsu)
大口径望遠鏡
(LST)
焦点面検出器
光電子増倍管:1855 台
PMTクラスター
23m
PMTモジュール = R11920-100 + 高圧発生回路+ プリアンプ回路
Φ ~ 39 mm
Φ ~ 150 mm
PMT R11920-100 (Hamamatsu)
QE peak
QEピーク値平均41
%
Parameters
Requirements
R11920-100
(average)
Wavelength sensitivity
range
290 - 600 nm
O.K.
250
200
150
Peak Q.E.
> 32%
41%
100
Average Q.E.
> 21%
30%
Collection efficiency
> 92%
94%
P/V ratio
> 1.5
3.0
After pulsing (> 4 p.e.)
0.02%
0.0038%
50
0
30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50
Q.E. peak [%]
Pulsing Rate
AfterAfter
pulsing
平均0.0038 %
600
500
Pulse width (FWHM)
< 3.0 ns
3.7 ns
Dynamic range
1 p.e. - 1000
p.e.
O.K.
> 200 C
O.K.
Life (50% drop in Gain)
400
300
200
100
0
0
0.005
0.01
0.015
0.02
After Pulsing [%]
FWHM [ns]
パルス幅の問題
4.5
○パルス幅を3ns以下にしたい。
印加電圧が高いほど
○後段のアンプに入るところではPMTの
パルス幅は狭くなる
4
ゲインが4万(に見えるよう)にしたい。
3.5
3ns 以下
ゲインの高いPMTには、プリアンプ
3
(PACTA)入力前に抵抗分割回路を入れ
て、ゲインを減らす。
2.5
800
900
1000
1100
1200
140
120
~ 平均 900 V
100
80
Nominal Voltage (adjusted)
Counts
Counts
Nominal Voltage (initial)
200
180
160
140
120
100
浜松から納入時のゲイン4万になるH.V.値
60
80
40
60
20
0
800
850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200
Nominal H.V. [V]
1300 1400
supply voltage [V]
2014春季大会 : 高橋講演
~ 平均 900 V
40
20
0
800
850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200
Nominal H.V. [V]
FWHM [ns]
PACTAチップ入力前に3種類の抵抗分割回路を挿入
4.5
PMTをゲイン毎に3グループに分けて、
印加電圧が高いほど
それぞれにあう減衰率を用意
パルス幅は狭くなる
4
3.5
3ns 以下
3
2.5
800
900
1000
1100
1200
140
Nominal Voltage (adjusted)
Counts
Counts
Nominal Voltage (initial)
1300 1400
supply voltage [V]
200
120
平均900 V
100
浜松から納入時
80
180
160
140
120
100
60
80
40
60
20
0
800
850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200
Nominal H.V. [V]
平均1020 V
40
20
0
800
850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200
Nominal H.V. [V]
R1[Ω]
R2 [Ω]
減衰
69.8
154
1/3.5
100
76.8
1/2
open
27
1
Possible problems 1 : 夜光下でのオペレーション
CW回路の出力電流 : 200 uAまで
~230 uAで電流値が飽和し電圧降下を起こす(赤)
夜光 : 300 MHz
(=300 [MHz] × 1.6 × 10-19 [C] × 4 × 104 )
HV monitor [mV]
-> ゲイン4万のとき2 uA
200 uA以降Reference PMTでの測定から外挿 (青)
夜光が通常の30倍( 月が出ているときなど)
-> ~57 uA
PACTAの入力で1/3.5に減衰しているPMT
は、実際には 14 万(4×3.5)ゲインで
1100
1090
1080
1070
1060
1050
1040
1020
1/3.5減衰PMT
1010
1000
0
->~210 uA (CWの限界に近くなってしまう)
下げずに観測可能
減衰無しのPMT
1030
動作している
夜光が通常の<30倍までであればゲインを
HV = 1048 V
50
100
150
200
250
300
Anode Current [uA]
夜光量(LED)を変えながらHV monitorを測定
* PACTA factor=1/3.5
10 Vの電圧降下で約7 %のゲイン減少
Possible problems 2 : Aging
Up$to$now$(~330C)
高いゲインで動作させているのでAgingの進みが早い
(CWは最大で1500 Vまで)
140
120
100
80
~330 Cで20%のゲイン減少
60
->動作電圧＋約30 V
40
20
0
1
3.6 C
10
102
36 C
3
360 C
10
浜松ホトニクスによる測定(@1000V 100 uA x 1000 h)
宇宙線研での測定 (@700 V 150 uA x 600 h)
PACTA(1/3.5)のPMTで2000時間/年×7年
でH.V.を+約30V
PACTA基板回路Fix & 初号機用の生産完了
①
Al pipe
2枚の基板にわけ間にバネ
PMT
②
高速回転時にPMTに
かかる負荷(~3G)を吸収
spring
PACTA chip
-差動プリアンプ
- トランスインピーダンス
1200 Ω(HG)
80 Ω (LG)
抵抗分割回路
GND to Al
Pipe
①
②
flexible wire bundle
PACTA基板ハンダ付け&組み立て作業
専用の治具を作り
自分たちでハンダ付
け
CW回路が接続された
状態で納入(~2000本)
動作チェック&calibration
(高橋による講演)
4.5
4
Counts
FWHM [ns]
約100本のPMTの測定結果
3.5
25
20
3
2.5
800
900
1000
1100
1200
1300 1400
supply voltage [V]
Counts
10
i
l
e
r
P
30
25
平均2.8 ns
y
r
a
15
y
r
a
in
平均~1050 V
20
5
m
i
l
e
r
P
15
10
0
2
2.2
2.4
2.6
n
i
m
2.8
3
3.2
パルス幅分布
3.4
3.6
3.8
4
FWHM [ns]
5
0
800
850
900
950
1000
1050
1100
1150
1200 1250
1300
Voltage 4e4 [mV]
ゲイン4万を与える電圧値分布
平均パルス幅3ns以下を達成する事が出来ている
まとめ
•
PACTA基板の回路設計をFixし、望遠鏡初号機用の生産を行った
•
3種類の減衰率を用意した
•
PMTモジュールの製作(PACTA基板取り付け)作業を開始
•
これまでに約100本のPMTを測定し目標通り平均パルス幅を3 ns以下に
出来ていることがわかった(詳細はCTA 報告80:高橋講演)
•
減衰率3.5を用いているPMTでも30倍夜光まではほとんどのPMTで
動作可能
•
減衰率3.5を用いているPMTはAgingが早く進むが10年単位では大き
な問題にはならなそう (1500 Vまでというレンジを超える事はなさ
そう)

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