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.

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1 2015 年度課題研究 P6 林 秀輝 大西 里実

2 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

3 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 ） 3mm 浜松ホトニクス社 HP より引 用

4 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

5 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

6 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

7 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

8 pulser FAN IN/OUT DRS4 評価ボード FAN IN/OUT アンプ MPPC 減光板 LED 暗箱 パルスジェネレー ター MPPC 用 高電圧電源 オペアンプ用電源

9  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  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 実際の出力 シミュレー ション

10 ポールゼロキャンセ ル回路 電荷積分型前置増幅器 インピーダンス整合のためにつけ た抵抗

11 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 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

12  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 30ns 時間（ ×0.2[ns] ） 電圧 （ V ）

13 30% 10%50% pedestal 1p.e. 2p.e. 3p.e. 縦軸はイベント数、横軸は積分した値 （ V ・ ns ） 光なし ダークカウント

14 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 μ σ [V ・ ns]

15  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 65.28[V] [V ・ ns ]

16 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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