20220906_FAST_JPS_nagasawa

1. FAST実験13：
新型大気蛍光望遠鏡アレイに用いる
データ収集回路の開発及び試験運用
長澤広武 京都大学宇宙線研究室 修士２回
京大理, 大阪公大理, 東大地震研, KICP Univ. of Chicago, Univ. of Adelaide,
Inst. of Phys. AS CR, Palacky Univ., Univ. of L’Aquila, Univ. of Utah
藤井俊博, 岡知彦, 寺内健太, 岩崎啓, 難波宏樹, 武多昭道, M. Malacari, J. Albury,
J.A. Bellido, L Chytka, J. Farmer, P. Hamal, P. Horvath, M. Hrabovsky, J. Kvita, D. Mandat,
M. Mastrodicasa, J.N. Matthews, S. Michal, X. Ni, L. Nozka, M. Palatka, M. Pech, P. Privitera,
P. Schovanek, F. Salamida, R. Smida, S.B. Thomas, P. Travnicek, M. Vacula

2. 極高エネルギー宇宙線観測
2
TA ： 2008, 5 - 2019, 5 / Auger ： 2004, 1 - 2018, 8
(Telescope Array Collaboration, ICRC2019 Pierre
Auger Collaboration, 2020)
1019.5 eV（= 約30 EeV）
以上で観測事象数が
足りていない
➢ 53.2 EeV (TA), 40 EeV (Auger) 以上の宇宙線の到来方向
✓ 極高エネルギー宇宙線の到来頻度は極端に少ない
✓ 起源・加速機構の研究には年間観測事象数を１桁
以上増やす必要がある
✓ 観測では～3σ程度の異方性に留まっている
(T. Fujii et al. ICRC2021)
銀河面
超銀河面
現行の観測実験

3. FAST Experiment
3
⚫ FAST (Fluorescence detector Array of Single-pixel Telescopes)
• 低コストな新型大気蛍光望遠鏡アレイによる次世代の宇宙線観測実験
• 分割鏡9枚からなる直径1.6 mの光学系
• 1台の望遠鏡につき4本の直径20 cmの光電子増倍管 (PMT ; Photo-Multiplier Tube)
• 各PMTごと15度×15度の視野角
30 EeV以上での有効検出面積を現在稼働中の検出器の10倍に
https://www.fast-project.org/gallery/fast_project/
✓ 1ステーションあたり12台の望遠鏡を設置
✓ 20 km間隔で500カ所に設置
✓ 150,000 km2 (有効検出面積30,000 km2)

4. FASTでの宇宙線観測
4
⚫ 開発研究として望遠鏡を設置,
観測
• 北半球のTA(Telescope Array
Experiment)サイトに3台
➢ 2016, 2017, 2018年設置
• 南半球のAuger(Pierre Auger
Observatory)サイトに1台
➢ 2019年設置
✓ 現在はNIMモジュールを用いて観測
✓ 大規模化（低消費電力, 48ch読み出し）に
対応するためには新しいシステムの開発
が必要
2019年9月JPS, 藤井俊博
M.Malacari et al. , Astropart. Phyis. 119 (2020) 102430
↑
FAST (@TAサイト) の新型大気蛍光望遠鏡に
よって観測された宇宙線イベントの波形信号
Tel. 1 Tel. 2

5. エレクトロニクス開発 & 実験室での試験運用
5
⚫ PMTs (/1 station) 波形読み出し用回路への要求
✓ サンプリング周波数 > 10MHz, 14bit, 48 channel読み出し
→ FADCチップ（ADC52J90）2個使用： 32ch入力, 14bit, 20MSPS
✓ アンプゲイン 50倍
✓ 太陽電池で賄える程度の低消費電力での動作
→ 試作基盤での消費電力量：~6W < 太陽電池で賄える電力 30W
✓ 摂氏 -25度~+40度での動作
⚫ 試作基盤は完成
→ 現在は、FPGA部分の構築を進めている
↑
ロボットアーム先端に装着した
レーザー光源を使用
⚫ PMT Test
✓ 実験室の暗箱内にカメラ(PMT)を
設置
✓ PMTの応答特性を調べる

6. エレクトロニクス開発 AMP, FADCボード
6
＜FADC ボード＞
FADC ; ADS52J90
• Body Size = 9.00 * 15.00 mm
• 16-channel ADC Configurable to Convert
8, 16 or 32 inputs
• Maximum ADC conversion rate
➢ 100MSPS (10 bit mode)
➢ 80MSPS (12 bit mode)
➢ 65MSPS (14 bit mode)
• Sampling Rate
➢ 2X ADC Conversion Rate (8 Inputs)
➢ 1X ADC Conversion Rate (16 Inputs)
➢ 0.5X ADC Conversion Rate (32 Inputs)
• LVDS Outputs with 16X, 14X, 12X, and 10X
Serialization
＜AMP ボード＞
AMP ; THS4524
• Body Size = 9.70 * 4.40 mm
• Gain = 50
• Time Constant = 20ns
• 8 MHz カットオフ周波数
• 4 pole バターワース型
ローパスフィルタ
PMT signal
to FADC
AMP
Con
I2C
F/O
To
FADC
> 2000 R/C
DAC
DCDC
HDMI
SSD
FADC
FADC
Heat
Sink
To
SoC
To
Analog
F/E
SoC
I2C
SPI
CLK
F/O

7. 7
Tel1-PMT1
SD
AMP
level
2
:
2
fold
coincidence
(Adjacent
PMT
）
FADC
Station 1
Overview
level
1
:
Threshold
PS
【PL】
Delay
SDRAM
Des
RAM
1 pps
AXI
GPS
I2C-SPI
bridge
SYNC
Tel1-PMT2
Tel1-PMT3
Tel1-PMT4
Tel12-PMT4
Adj. station 1
LAN
Adj. station 6
DMA
⚫ Level 1 trigger : Threshold
⚫ Level 2 trigger : Coincidence with adjacent PMT
⚫ Level 3 trigger : Coincidence with adjacent station
SoC
MODE
SDRAM
On/
Off
FMC
JTAG
PMOD
DCDC
DCDC
Zynq-7000

8. ✓ トリガー条件 : 2本以上のPMTによる同時
イベントがあるBlockが1つ以上存在
✓ 各ステーションごとに評価
2nd Trigger : 同時イベントの抽出
8
3
2
0
1
0
7
6
5
4
48
47
46
45
0
0
↑ PMT光電面を正面から見た図
✓ 2nd trigger signalの入力によってDAQスタート
Block
2nd trigger signal
2本以上のPMTによ
る同時イベントがある
Blockが1つ以上存在
DAQ ON
➢ Block : 隣接4PMTで構成
➢ 全部で24Block
• シミュレーションに
よるトリガー効率
評価
• 20 kmのアレイ
間隔 & 2本以上の
PMT同時イベント
をトリガーする
場合、30 EeV以上
で約100%

9. PMT Uniformity Test
9
✓ 旧型
➢ 感度の非一様性を確認
✓ 旧型 + シールド
➢ 改善はわずか
✓ 新型
➢ 第1ダイノード由来の
非一様性を改善するよう
設計
➢ 旧型より一様な感度に
なっている
➢ 左：旧型, 右 : 新型
➢ 左：シールド無し, 右 : シールド有り
FINEMETをシールドとして使用 （千葉大 石原さんより借用）
旧型 旧型 + シールド
新型

10. まとめ ・ 展望
◆ FAST Experiment
• 極高エネルギー宇宙線への感度を飛躍的に高めることを目指す
• 低コストな新型大気蛍光望遠鏡をアレイ状に配置
• 30 EeV以上での有効検出面積を現在稼働中の検出器の10倍に
◆ エレキ開発
• 試作基板は完成
• 現在はFPGA部分の開発に注力
◆PMT性能評価
感度非一様性の評価（旧型, シールド旧型, 新型）
◆ 今後の予定
• Augerサイトの20 km離れた場所に3台目の設置予定
• 2022年 11/1 - 11/18 : エレキ, 望遠鏡の統合試験 (@チェコ)
• 2022年 11/19 - 11/30 : 宇宙線観測によるエレキ動作テスト (@TAサイト)
• 2023年 2月: 本設置 (@Augerサイト ; Auger1,2台目に設置)
10
https://youtu.be/ceN-IsaWcXg
← 鏡, 架台の設置完了
(Auger 2台目, 今年6月)
↑ チェコでの議論（8月）