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, 梅津陽平, 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), 田淳子, 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( 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 TeV Large-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 10 100 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 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 -4 -Z 地磁気 -3 -2 -1 0 1 2 3 Distance from the center [cm] 4 PMT +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 Preamp DRS4 PMT filter wheel Preamp DRS4 PMT Light Preamp PMT Preamp PMT DRS4 DRS4 DAC , ADC HV Ctrl PC optical fiber Diffuser PC trigger line Function generator Signal line HP Pulser Main PC 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 30 25 20 - 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 15 10 2015年春季物理学会 CTA報告90：永吉勉 5 0 0.05 0.10 Pmts Pmts 平均 1037V 40 30 0.20 0.25 AfterPulse Rate(/p.e.) 4万ゲインでのHV 50 0.15 10-3 0.30 FWHM 160 140 平均 2.85 ns 120 100 80 20 60 40 10 要求値 20 850 900 950 1000 1050 1100 1150 Voltage@4e4Gain [V] 2 2.2 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 ns 126 124 122 120 940 960 980 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
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