[論文レビュー] The Photodetector Plane of the 4m Davies Cotton Small Size Telescope for the Cherenkov Telescope Array

V. Boccone, J. A. Aguilar+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、チェレンコフ望遠鏡アレイ（CTA）の4mデイヴィス・コットン小形望遠鏡（SST）向けに、大面積の六角形ゲーリングモードアンプ光電ダイオード（G-APD）光検出器プレーン（PDP）の設計および特性評価を提示する。PDPは1296個のG-APDを内蔵し、93.6 mm²の有効面積を有し、容量を低減するため4チャンネルにセグメンテーションされている。470 nmでピーク光子検出効率（PDE）が31±2%に達し、最適なオーバーボルテージでクロストークが10%未満に抑えられ、月光下での運用が可能となり、PMTよりも優れた性能を実現する。

ABSTRACT

Photomultipliers (PMTs) are currently adopted for the photodetector plane of Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes (IACTs). Even though PMT quantum efficiency has improved impressively in the recent years, one of the main limitation for their application in the gamma-astronomy field - the impossibility to operate with moon light - still remains. As a matter of fact, the light excess would lead to significant and faster camera ageing. Solid state detectors, in particular Geiger-mode avalanche photo-diodes (G-APDs) represent a valuable alternative solution to overcome this limitation as demonstrated in the field by the FACT experiment (The First G- APD Cherenkov Telescope). They can be regarded as a more promising long term approach, which can be easily adopted for the new generation of cameras and for the Cherenkov Telescope Array (CTA). We describe here the Photo-Detector Plane (PDP) of the camera for the 4 m Davies Cotton CTA Small Size Telescopes, for which large area G-APD coupled to non-imaging light concentrators are planned. The PDP includes 1296 photosensors, the biasing and pre-amplification stages, the control electronics as well as the mechanical support and the water- tight enclosure. We developed with Hamamatsu a new large area hexagonal shaped G-APD with an area of 93.6 mm^2. This G-APD is divided into 4 channels which will be summed after the pre-amplification stage to maintain an acceptable time characteristic of the signal. The characterization of this device for 50 um and 100 um micro-cell sizes will be discussed and compared to other non-custom photodetectors.

研究の動機と目的

• チェレンコフ望遠鏡アレイ（CTA）の4mデイヴィス・コットン小形望遠鏡（SST）向けに、固体素子を用いた高性能光検出器プレーン（PDP）を開発すること。
• 光電子増倍管（PMT）が月光下で制限を受ける問題を、ゲーリングモードアンプ光電ダイオード（G-APD）を採用することで克服すること。
• 93.6 mm²の有効面積を持つ大面積で六角形形状のG-APDを設計し、信号タイミングの向上と容量の低減を図ること。
• 自作G-APDの主な性能指標（光子検出効率（PDE）、クロストーク、暗電流レート）を特性評価し、商業用代替品と比較すること。
• 月光下でも安定した低ノイズ性能を実現することで、高エネルギー（1–100 TeV）での長時間観測を可能とすること。

提案手法

• パナソニックと共同で開発された、50 µmおよび100 µmのマイクロセルサイズを持つ93.6 mm²の六角形G-APDの開発。
• 容量効果を最小限に抑えるためにG-APDを4チャンネルにセグメンテーション。
• 非像像光集光器を用いてG-APDと望遠鏡光学系を結合し、光収率を最大化。
• 信号整形および制御のため、PDPにプリアンプおよびバイアス回路を統合。
• CAEN V814低しきい値ディスクリミネータおよびV560スケーラを用い、異なるしきい値でのパルス高さ分布を分析することで、暗電流レートおよびクロストークを測定。
• 整形アンプ（Ortec NIM）を適用してパルス幅を15–20 nsに短縮し、最大15–20 MHzの高トリガーレートでの運用を可能にした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 93.6 mm²の有効面積を持つ大面積六角形G-APDは、CTAのSSTにおける高エネルギーガンマ線検出に十分な光子検出効率（PDE）を達成できるか？
• RQ2 最適なオーバーボルテージにおける新規G-APDのクロストークは、SenSLやHamamatsu MPPCsなどの商業用代替品と比べてどうか？
• RQ3 G-APDベースのPDPは、PMTの主な限界である月光下での運用を克服し、安定したデータ取得を可能にするか？
• RQ4 新規G-APDの単位面積あたりの暗電流レートは何か？また、高ダイナミックレンジ運用に適したデバイスサイズに比例してどのように変化するか？
• RQ5 4チャンネルセグメンテーション戦略は、高チャンネル数カメラシステムにおける信号歪みの低減とタイミング性能の維持に効果的か？

主な発見

• S12516-050 G-APDは470 nmでピーク光子検出効率（PDE）が(31±2)%に達し、商業用Hamamatsu S10985-050およびµB30035-X13-E15デバイスと同等の性能を示した。
• S12516-100 G-APDはPDEが(37.7±1.2)%に高く、しかし50 µmバージョンの2倍のクロストークを示し、1.6 Vのオーバーボルテージで14–22%に達した。
• 最適なオーバーボルテージ（2 V）で、50 µm G-APDのクロストークは10%未満に低下し、100 µmバージョンよりも顕著に低く、SenSLセンサに近い性能に近づいた。
• SenSLセンサは非常に低いクロストーク（2 Vで10%未満）を示したが、0.6 MHz/mm²の暗電流レートは93.6 mm²のデバイスで約50 MHzに相当し、本用途には実用的でないことが判明した。
• 単位面積あたりの暗電流レートを正規化した結果、S12516-050は同程度のオーバーボルテージ条件下でSenSLセンサよりも低い暗電流レートを示した。
• ラボでの測定により、適切なパルス整形を施した新規G-APD設計は、最大15–20 MHzの高レート運用を可能とし、月光下のような高バックグラウンド環境でも頑健な性能を発揮することが確認された。