[論文レビュー] Novel Photo Multiplier Tubes for the Cherenkov Telescope Array Project

T. Toyama, Razmik Mirzoyan+13 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2013

Photocathodes and Microchannel Plates被引用数 34

ひとこと要約

本論文では、チェレンコフ望遠鏡アレイ（CTA）向け次世代フォトマルチプライヤー管（PMT）の開発を報告する。ピーク量子効率は最大43%に達し、4光電子閾値においてアフターパルシングを0.02%まで低減した。バイアルカリ光電子源の向上とダイナド遮蔽による光誘発アフターパルシングの抑制により、非常に高エネルギーのガンマ線天文学における感度とエネルギー分解能が顕著に向上した。

ABSTRACT

Currently the standard light sensors for imaging atmospheric Cherenkov telescopes are the classical photo multiplier tubes that are using bialkali photo cathodes. About eight years ago we initiated an improvement program with the Photo Multiplier Tube (PMT) manufacturers Hamamatsu (Japan), Electron Tubes Enterprises (England) and Photonis (France) for the needs of imaging atmospheric Cherenkov telescopes. As a result, after about 40 years of stagnation of the peak Quantum Efficiency (QE) on the level of 25-27%, new PMTs appeared with a peak QE of 35%. These have got the name super-bialkali. The second significant upgrade has happened very recently, as a result of a dedicated improvement program for the candidate PMT for Cherenkov Telescope Array. The latter is going to be the next generation major instrument in the field of very high energy gamma astrophysics and will consist of over 100 telescopes of three different sizes of 23m, 12m and 4-7m, located both in southern and northern hemispheres. Now PMTs with average peak QE of approximately 40% became available. Also, the photo electron collection efficiency of the previous generation PMTs of 80- 90% has been enhanced towards 95-98% for the new ones. The after-pulsing of novel PMTs has been reduced towards the level of 0.02% for the set threshold of 4 photo electrons. We will report on the PMT development work by the companies Electron Tubes Enterprises and Hamamatsu Photonics K.K. show the achieved results and the current status.

研究の動機と目的

• イメージング大気チェレンコフ望遠鏡（IACT）の感度を向上させるために、量子効率（QE）を著しく向上させたPMTの開発を目的とする。
• IACTにおける信号忠実度とエネルギー閾値の制限要因であるアフターパルシングを低減することを目的とする。
• 信号対ノイズ比を最大化するために、光電子収集効率を95%以上に向上させることを目的とする。
• 次世代の非常に高エネルギーのガンマ線観測施設であるCTAの厳しい仕様に適合する新しいPMTの性能を検証することを目的とする。

提案手法

• 可変波長光源、キャリブレーション済みPINダイオード、ピコアンペアメータを用いたカスタム量子効率（QE）測定システムを設計・構築し、正確な電流比較を実現した。
• 9個の浜松R11920-100および3個のR11920-100-05 PMTについて、200–800 nmの波長範囲でQEを測定した。後者はピークQEが35%以上で、最大43%を示した。
• レーザー駆動信号解析とオシロスコープを用いたモニタリングにより、ディスクリミネータ閾値（4光電子）の関数としてアフターパルシング率を測定した。
• 2つのPMTを用いた二重構成により、ダイナド領域からの内部光放出を調査した。1つのPMTが440 nmレーザーで照射された他方のPMTのダイナドからの光放出を検出していた。
• 浜松PMTにダイナド遮蔽を実装し、光誘発アフターパルシングを抑制する手法を検討・試験した。遮蔽前後の信号レベルを比較した。
• CTAの要件（特にチェレンコフスペクトル（≥21%）の平均QE、アフターパルシング≤0.02%、伝送時間スプレッド≤1.5 ns）とPMT性能を照合した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 歴史的な25–27%のピークQEの停滞を打ち破り、チェレンコフ望遠鏡の感度を向上させうるPMTの量子効率は、さらに向上可能か？
• RQ2 PMTにおけるアフターパルシングの原因は何か？ そして、CTAの厳しい閾値要件を満たすために低減可能か？
• RQ3 ダイナド領域からの光放出は、アフターパルシングにどの程度寄与しているか？ また、遮蔽によってこの影響を軽減できるか？
• RQ4 浜松PMTおよびエレクトロントゥーブスエンタープライゼス（ETE）PMTは、QE、アフターパルシング、収集効率のすべてにおいてCTAの仕様を満たすか？
• RQ5 新規PMTの性能指標は、2 km高度での100 GeV空気シャワーに由来するチェレンコフ光スペクトルと比較して、どのように評価されるか？

主な発見

• 浜松R11920-100-05 PMTはピーク量子効率が最大43%に達し、300台の量産品では40%以上を安定して達成した。
• チェレンコフスペクトル（290–600 nm）における平均QEは21%以上に達し、CTAの要件（≥21%）を満たし、それを上回った。
• ダイナド遮蔽と高品質な真空処理を実施した結果、4光電子閾値でアフターパルシング率が0.02%まで低減され、CTAの仕様を満たした。
• 間接的ではあるが、ダイナド間領域からの光放出がアフターパルシングの原因であることが、電子パulsesの約18 ns後に光放出が検出されたことで直接観測・確認された。
• 二重PMT測定装置により、遮蔽が逆方向に進行する光子を抑制することで、光誘発アフターパルシングが顕著に低減されることを裏付けた。
• エレクトロントゥーブスエンタープライゼス（ETE）PMTはピークQEが35–37%を示し、反射防止被膜およびマット入射窓の採用により、今後40–45%まで向上させる計画である。