CANGAROO-IIIにおける高電圧回路、プ

リアンプ一体型カメラシステムの研究

開発

Research and development on new camera

system integrated with high-voltage circuit

and preamp

東京大学　理学系研究科　修士論文

領木 慎一

January 8, 2009

Abstract

　 CANGAROO-III望遠鏡における、高電圧回路、プリアンプ一体型カ

メラシステムの開発、設計、及びその性能評価について述べる。

　現行のCANGAROO-IIIカメラデザインとの大きな変更点としては、高

電圧回路を光電子増倍管内部に内蔵としたこと、光電子増倍管をより量

子効率の良いものへと変えたことである。

　現行のカメラシステムでは、ひとつのPMTにひとつのプリアンプを内

蔵しているが、このプリアンプをダイナミックレンジが更に良いものへ

と変更した。

　高電圧回路にはコッククロフト-ウォルトン回路の実用可能性を検討し

実証した。この回路は非常にシンプルな構造であり、小型、軽量、コスト

がかからないという利点がある。高電圧回路を内蔵としたことで、故障

時の他への影響が小さくなった。高電圧回路のリップルノイズは～1mV

に抑えられている。

　また、明るい光 (星光)が入る光電子増倍管を単体でOFFにするため、

Ethernetコントロールによるリレースイッチを高電圧回路に組み込む形

を検討し実証した。

　光電子増倍管 (PhotoMultiplierTube,PMT)は、マルチアノード (4チャン

ネル)角型PMT、R8900Uをテストした。Photocathodeの材質をBialkali

からUltraBialkaliへと変えることで、従来のPMTと比べて 470nmの波

長においての量子効率が 1.65倍になった。これより、350nmの波長にお

いては 1.88倍、更に受光面のガラスをBorosilicateガラスからUVガラス

へと変えることで、2.09倍の量子効率の向上が期待できる。

　コスト面においては、外部からの高圧電源を内蔵したこと、光電子増

倍管を 4チャンネル出力へと変えたことで、1pixelあたりのコストを半分

程度まで抑えることが出来た。

1

Contents

1 Introduction 9

1.1 CANGAROO-III実験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.2 チェレンコフ望遠鏡によるTeVガンマ線観測 . . . . . . . . 10

1.2.1 空気シャワー . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.2.2 チェレンコフ光 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.3 CANGAROO-III望遠鏡 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.3.1 鏡 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.3.2 カメラシステム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.4 次期計画 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

1.5 ガンマ線将来計画 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

1.5.1 CTA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

1.5.2 AGIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

1.6 今回のR&Dの概要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2 カメラ設計・開発 30

2.1 プリアンプの選定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.1.1 ノイズレベル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.1.2 ゲイン . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.1.3 立ち上がりの速さ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2.1.4 ダイナミックレンジ . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

2.1.5 選定結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

2.2 高電圧回路一体型 PMT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

2.2.1 現在のシステム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

2.2.2 目標とするシステム . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

2

2.3 高電圧回路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

2.3.1 コッククロフト・ウォルトン回路 . . . . . . . . . . 53

2.3.2 リップルノイズ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

2.3.3 ダミーシグナルとリップルノイズの分離 . . . . . . 63

2.3.4 コッククロフト回路まとめ . . . . . . . . . . . . . . 67

2.4 リレースイッチの制御 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

2.4.1 リレースイッチ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

2.4.2 イーサネットコントロール . . . . . . . . . . . . . . 70

2.4.3 リレー制御回路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

2.5 PMT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

2.5.1 PMTの選択 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

2.5.2 R3479との量子効率比較 . . . . . . . . . . . . . . . 79

2.5.3 ゲイン比の場所依存性 . . . . . . . . . . . . . . . . 85

2.5.4 量子効率比の場所依存性 . . . . . . . . . . . . . . . 86

2.5.5 実効効率比の場所依存性 . . . . . . . . . . . . . . . 87

2.5.6 受光面ガラスの材質 . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

2.5.7 HV-Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

2.5.8 ダイナミックレンジ . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

3 性能およびコスト比較 96

3.1 性能比較 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

3.2 トータルコストダウン . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

4 Discussion 99

4.1 350nmでの量子効率比 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

4.2 量産に向けて . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

5 Conclusion 102

AppendixA　　　R3479の諸特性 105

AppendixB　　　R8900の諸特性 106

3

AppendixC　　　ポアソン分布のフィッティング 107

4

List of Figures

1.1 ガンマ線による電磁カスケードの模式図 . . . . . . . . . . 10

1.2 ハドロンシャワーの模式図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.3 シャワー発達の様子 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.4 チェレンコフ光の放出方向 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.5 チェレンコフ光、鏡の反射率、光電子増倍管の波長依存性 15

1.6 CANGAROO-III望遠鏡の位置 . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.7 CANGAROO-III望遠鏡の外観と配置 . . . . . . . . . . . . 16

1.8 2台の望遠鏡による到来方向角とシャワー落下地点 . . . . 17

1.9 ステレオ観測の概略図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.10 鏡と調節機構 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.11 カメラ容器とその内部 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.12 カメラ前面と背面 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

1.13 光電子増倍管R3479 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

1.14 ライトガイド . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

1.15 Winston cone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

1.16 劣化した鏡 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

1.17 CTA計画の望遠鏡配置のイメージ . . . . . . . . . . . . . . 26

1.18 CTAの sensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

1.19 CTA計画のスケジュール . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

1.20 AGIS計画のイメージ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

1.21 AGISの sensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.1 アンプ選定の回路図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.2 アルミ製箱に入れたアンプ回路 . . . . . . . . . . . . . . . 34

5

2.3 アンプのノイズ対策 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.4 アンプのゲイン測定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.5 各アンプのゲイン比較 (拡大図) . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.6 各アンプのゲイン比較 (全体図) . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.7 アンプの立ち上がり時間測定 . . . . . . . . . . . . . . . . 40

2.8 各アンプの立ち上がり時間比較 (拡大図) . . . . . . . . . . 41

2.9 各アンプの立ち上がり時間比較 . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.10 親粒子と加速機構によるガンマ線スペクトルの違い . . . . 43

2.11 アンプのダイナミックレンジ測定 . . . . . . . . . . . . . . 45

2.12 各アンプのサチュレーションポイント比較 . . . . . . . . . 47

2.13 HVシステム正面 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

2.14 HVシステム背面 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

2.15 エージング用ダミー回路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

2.16 Under-Voltageが出ているHVボード . . . . . . . . . . . . 50

2.17 コッククロフト・ウォルトン回路 . . . . . . . . . . . . . . 54

2.18 R3479のディバイダー回路図 . . . . . . . . . . . . . . . . 55

2.19 コンデンサの容量別コッククロフト回路の出力電圧 . . . . 56

2.20 製作したコッククロフト回路 . . . . . . . . . . . . . . . . 56

2.21 矩形波発振回路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

2.22 矩形波入力時のリップルノイズ . . . . . . . . . . . . . . . 58

2.23 正弦波発振回路 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

2.24 50kHzの sin波入力時のリップルノイズ . . . . . . . . . . . 59

2.25 50Hzの sin波入力時のリップルノイズ . . . . . . . . . . . 60

2.26 ハイパスフィルタ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

2.27 ハイパスフィルタを入れたコッククロフト回路の回路図 . . 61

2.28 ハイパスフィルタを入れた後のリップルノイズ . . . . . . . 62

2.29 ダミーシグナルとリップルノイズの分離 . . . . . . . . . . 63

2.30 ノイズ対策用カバー . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

2.31 外部からのノイズ対策後のノイズ . . . . . . . . . . . . . . 65

2.32 フェライトコア . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

6

2.33 フェライトコアによるノイズの低減 . . . . . . . . . . . . . 66

2.34 ラッチ型リレースイッチ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

2.35 LANX-I16P . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

2.36 LANX-I16Pのデジタル出力回路 . . . . . . . . . . . . . . . 71

2.37 IC74154の真理値表 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

2.38 リレー制御回路図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

2.39 R3479とR8900 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

2.40 R8900シリーズの構造 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

2.41 R8900Uシリーズのディバイダー回路 . . . . . . . . . . . . 78

2.42 暗室内のセットアップ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

2.43 6mm角マスクを施したR3479とR8900 . . . . . . . . . . . 80

2.44 測定に用いた LEDの波長 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

2.45 量子効率の波長依存性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

2.46 16分割でのゲイン比の場所依存性 . . . . . . . . . . . . . . 85

2.47 16分割での量子効率比の場所依存性 . . . . . . . . . . . . 86

2.48 16分割での実効効率比の場所依存性 . . . . . . . . . . . . 87

2.49 ガラスの材質による透過率の波長依存性 . . . . . . . . . . 88

2.50 ガラスの材質による量子効率の波長依存性 . . . . . . . . . 89

2.51 受光面ガラスの材質別 4分割でのゲイン比 . . . . . . . . . 90

2.52 受光面ガラスの材質別 4分割での量子効率比 . . . . . . . . 90

2.53 受光面ガラスの材質別 4分割での実効効率比 . . . . . . . . 91

2.54 R8900U-200-M4のHV-Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

2.55 サチュレーションポイント . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

2.56 R8900(AD8009使用)1p.e.のヒストグラム . . . . . . . . . 95

4.1 カメラシステム全体の回路図 . . . . . . . . . . . . . . . . 100

C.1 多重ガウス分布でのフィッティング . . . . . . . . . . . . . 108

C.2 R8900での 1p.e.のヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . 109

7

List of Tables

1.1 R3479の主な規格 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

1.2 ライトガイドの特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.1 光電子増倍管モジュール用アンプの候補 . . . . . . . . . . 31

2.2 DCフィルタの特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.3 設定ゲイン 100倍での実測ゲイン値 . . . . . . . . . . . . . 37

2.4 設定ゲイン 100倍での実測ゲイン値 a . . . . . . . . . . . . 41

2.5 サチュレーションポイントの選定結果 . . . . . . . . . . . 46

2.6 アンプの選定結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

2.7 コッククロフト回路まとめ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

2.8 R3479とR8900U-200-M4の効率比較予測 . . . . . . . . . 75

2.9 BialkaliとUltra Bialkaliの量子効率比 . . . . . . . . . . . 81

2.10 カソード～第 1ダイノードへの収集率を除いた量子効率比 81

2.11 LEDの波長別量子効率 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

2.12 受光面ガラスの材質別量子効率比 . . . . . . . . . . . . . . 88

3.1 R3479とR8900U-200-M4の効率比較 . . . . . . . . . . . . 96

3.2 現行カメラシステムとのコスト比較 . . . . . . . . . . . . . 98

4.1 350nmでの量子効率比 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

5.1 カメラシステムのまとめ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

A.1 R3479の諸特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

B.1 R8900U-100-M4の諸特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

8

1 Introduction

1.1 CANGAROO-III実験

CANGAROO(Collaboration of Australia and Nippon for a GAmma

Ray Observatory in the Outback)実験とは、南天における天体からの超

高エネルギーガンマ線を大気チェレンコフ型望遠鏡を用いて検出し、その

存在と性質の解明を目指した日本・オーストラリアの共同研究である。南

オーストラリア州 Woomera(東経 136度、南緯 31度)に設置した 10m望

遠鏡 4台のシステム (CANGAROO-III)を用い、ガンマ線シャワーが大気

中で放出するチェレンコフ光を通してガンマ線天体の観測を行っている。

当地を選択した理由としてはWoomeraは晴天率が 80%非常によく、また

周囲を砂漠に囲まれているため光害も少ないためである。よって、チェ

レンコフ光の非常に弱い光を観測するのに適している。

　CANGAROO-I実験は 1992年からスタートし、口径 3.8mのチェレン

コフ望遠鏡で超新星残骸からのTeV領域のガンマ線の検出に成功した。

　 CANGAROO-II実験は 1999年からスタートし、口径 7mの望遠鏡を

用いて観測を始めた。その後口径を 10mまで拡張し、300GeVまでのエ

ネルギー領域を観測できるようになった。観測結果では、RX J1713[1]、

RX J0852[2]、Galactic Center[3]からの高エネルギーガンマ線を発見し、

宇宙線の加速起源の解明において大きな役割を果たした。

　CANGAROO-III実験はCANGAROO-II実験を拡大し、4つの 10m反

射望遠鏡を設置した。4台を同じ方向に向けるステレオ観測により、観測

されるガンマ線のシグナルの到来方向をより精度良く判別することが可

能になった。これまでにVela pulser[4]、CenA[5]、SN1987A[6]など多数

の天体の観測・解析を行っている。

9

1.2 チェレンコフ望遠鏡によるTeVガンマ線観測

宇宙ガンマ線の観測方法は宇宙空間での観測と地上での観測で大きな

違いがある。宇宙線はエネルギーが高くなるとフラックスが急激に減少

するため、重量制限から最大で 1m2sr程度の有効面積しか稼げない人工

衛星は必然的に高エネルギーガンマ線を対象とすることが出来ず、その

エネルギーレンジは数十GeVまでである。一方検出に大気チェレンコフ

光を用いた地上望遠鏡での有効面積はおよそ 105m2となるため、衛星に

比べて高いエネルギーまでの観測が出来る。

1.2.1 空気シャワー

高エネルギー粒子が大気中に入射すると、大気の原子核と相互作用を起

こし2次粒子をカスケード生成する。これを空気シャワーという。ガンマ線

の場合、そのエネルギーが10GeVを超えていると、大気と相互作用し電磁

シャワーを作る [7]。このシャワーの出すチェレンコフ光をCANGAROO-

III望遠鏡で観測する。シャワーが降り注ぐ面積は広いため、人工衛星に

比べて高いエネルギー領域をカバーできる。

　ガンマ線による電磁カスケードの模式図を図 1.1に示す。

図 1.1: ガンマ線による電磁カスケードの模式図。

10

大気に入射したガンマ線は大気中の原子核との相互作用により電子対

生成を最初に起こし、生成された電子が制動放射によりガンマ線を生成

する。更に生成されたガンマ線が電子対生成を起こすという過程を繰り

返すことによりシャワーは発達し、電磁カスケードを形成する。このと

き、電子のエネルギー損失が制動放射ではなく電離損失に移行するエネ

ルギーを臨界エネルギーといい、空気中での値はおよそ 84MeVである。

この臨界エネルギーを電子のエネルギーが下回ると粒子の増加は止まり

空気シャワーの発達も止まる。この時点でシャワーは最大となる。

　高エネルギー宇宙線のうちハドロンはガンマ線と似た空気シャワーを

作る。この場合、各カスケードによりシャワーが発達する。大気に入射

したハドロンは大気中の原子核と相互作用を起こし核子一つずつに分か

れる。これらの核子は大気中の原子核と pp散乱を起こし核子 (p, n)、反

核子 (p̄, n̄)など様々な粒子を作るが、主成分は π粒子 (π0, π±)である。そ

の中で π0粒子は寿命が短い (0.83× 10−16sec)ため直ちに、

π0 −→ 2γ (1.1)

と崩壊し、ガンマ線を放出する。この過程で生成されたガンマ線は電磁カ

スケードを起こす。一方高エネルギー (À 10GeV )の π±は寿命 (2.603×10−8sec)が相対論的効果で延び、崩壊前に原子核と衝突を起こし、更に

核カスケードを発達させる。比較的低エネルギーの π±の場合は寿命に

より、

π+ −→ µ+ + νµ (1.2)

π− −→ µ− + νµ (1.3)

と崩壊する。こうして生成された µ粒子はほとんど崩壊せずに地上に到

達する。図 1.2にハドロンシャワーの模式図を示す。

11

図 1.2: ハドロンシャワーの模式図。

電磁カスケードによるシャワーと核カスケードによるシャワーは以下

のような違いがある。

シャワーの形状

電磁カスケードによるシャワーがガンマ線の入射方向に鋭く、ほぼ

線対称に発達するのに対して、核カスケードによるシャワーは生成

される二次粒子が入射軸に垂直な方向の運動量を持ってシャワーを

発達させる。また発生した粒子によりその後のシャワーの発達の仕

方が異なるため、横方向に非対称な発達を行う。

シャワーの発達高度

ハドロンは大気中の原子核との衝突距離が長いため、ガンマ線に比

べてシャワーは大気下部で発達する。

シャワー中での生成粒子量

ハドロン起源の空気シャワーで主に生成されるのは π粒子で π0、π+

、π−の生成数はほぼ同じである。このうちシャワーの発達に最も寄

12

与するのは π0である。したがって一次粒子のほぼ 1/3が空気シャ

ワーの発達に使われる。よって同じ規模の空気シャワーを作るのに

必要な一次粒子のエネルギーはハドロン起源の場合、ガンマ線起源

の場合と比べて 3倍必要である。

図 1.3にガンマ線とハドロンのシャワー発達の様子を示す [8]。両方とも

1TeVのガンマ線、核子を入射した場合のシャワー発達の様子である。ガ

ンマ線のシャワー発達のほうがシャープになっているのがわかる。

図 1.3: シャワー発達の様子 [8]。左が 1TeVのガンマ線を入射した場合、

右が 1TeVの核子が入射した場合

13

1.2.2 チェレンコフ光

大気チェレンコフ型望遠鏡では、大気シャワーで発達した粒子を直接測

定するのではない。粒子が空気中での高速 c′ = c/n(nは空気の屈折率)を

越える速度で空気中を通過すると光子を放出してエネルギーを失う。こ

のときに放出される光をチェレンコフ光といい、この光を測定している。

ここでは、チェレンコフ光についての説明を行う [7]。

　速度 vを持つ荷電粒子が光子を放出するとき (図 1.4)、運動量保存則及

びエネルギー保存則より、

β cos θ =1

n(1.4)

が成り立つ。ここで β = v/cである。屈折率 nは次の式で計算できる。

n = 1.0 + 0.000296x

1030g/cm2

(T

273.2K

)−1(1.5)

θ

1/βc

n/c

粒子の進行方向

光子の方向

図 1.4: チェレンコフ光の放出方向

v ≈ cとすれば光子の放出角度は、

θ = cos−11

n(1.6)

となり、チェレンコフ放射の放射角度は屈折率にのみ依ることがわかる。

地球大気層約 10kmでの屈折率はおよそ、n ∼ 1.0001なので、チェレンコフ放射の放射角度を θcとすれば、

θc ∼ 0.014rad (1.7)

14

となる。この光は地上に到達した場合、10km× θc ≈ 140mのリング状に広がる。したがって観測面積は

S = π(140)2 ≈ 105m2 (1.8)

となり、これは宇宙に 105m2の検出器を置いたことに相当する。このた

め、フラックスが小さい高エネルギーガンマ線も広い有効面積でカバー

することが出来る。

　放出される光子数はTamm-Frankの理論 [9]により計算され、

N(ν)dν =2πZ2e2

h̄c

(1− 1

n2β2

)dν (1.9)

∝ Z2dλλ2

(1.10)

で表される。Z は電荷素量 eを単位とした粒子の電荷である。このよう

に光子の放出数は 1/λ2に比例するため、チェレンコフ光は短波長側に強

度が強く、青い光を発する。検出される光は、光の波長よりも十分小さ

い粒子による散乱であるレイリー散乱 (散乱断面積∝ 1/λ4)や光と同程度の大きさのダスト等によって散乱されるミー散乱などによる大気の透過

率、鏡の反射率、光電子増倍管の量子効率の波長依存性が加味され、図

1.5に示すように 300nm～600nmのスペクトルを持つと考えてよい。

図 1.5: チェレンコフ光、鏡の反射率、光電子増倍管の波長依存性

15

1.3 CANGAROO-III望遠鏡

CANGAROO-III実験では南オーストラリア州 Woomera(東経 136度、

南緯 31度)(図 1.6)に設置した 10m望遠鏡 4台のシステム (CANGAROO-

III)を用い、観測を行っている。ここでは現行CANGAROO-IIIにおける

鏡とカメラシステムについて説明する。

図 1.6: CANGAROO-III望遠鏡の位置

CANGAROO-III望遠鏡の外観と配置を図 1.7に示す。

図 1.7: CANGAROO-III望遠鏡の外観と配置

16

CANGAROO-III望遠鏡では、4台の望遠鏡によるステレオ観測を行っ

ている。各望遠鏡間の距離は約 100m離れており、4台の望遠鏡が東西南

北の点にひし形に配置されている。ステレオ観測を行うことで以下の点

が 1台の望遠鏡と異なる [10]。

1台ではシャワー軸に対して、1次元の到来方向の情報しか得られ

ないが、複数の望遠鏡を用いることにより、3次元的にシャワーを

捉えることができる。そのためシャワーの到来方向をより精度良く

求めることができる。また、シャワーの発生高度の逆算が可能なこ

とから個々のガンマ線のエネルギー決定精度が向上する (図 1.8、図

1.9)。

図 1.8: ステレオ観測における到来方向角 (左)とシャワー落下点 (右)。各々

の望遠鏡で観測したシャワーイメージの軸上の交点がシャワーの到来方

向となる。1台で観測した場合よりも情報量が増えるため、より精度の良

い決定が可能となる。

17

図 1.9: ステレオ観測の概略図。ステレオ観測を行うことで空気シャワー

の到来方向をより精度良く求めることが出来る。

ステレオ観測は 4台の望遠鏡によるシャワーイメージング情報の増

加によりイメージング精度が向上し、バックグラウンドとの分離能

力が向上する。

ステレオ観測は複数代の望遠鏡によるコインシデンスを必要とする

ため、1台による観測と比べて有効面積が減少し、2台の望遠鏡を

100m離したときの有効面積は 2.4× 104m2となる。

18

1.3.1 鏡

CANGAROO-III望遠鏡で用いられている反射鏡には、直径 80cmの小

型鏡を放物面状に 114枚並べたものを使用している。図 1.10左に小型鏡

の外観を示す。この小型鏡は強度に優れたGFRP(Glass Fiber Reinforced

Plastic、強化プラスティック)製で質量は約 5kgと非常に軽量なのが特徴

である。その構造は、硬質の発泡剤のコアをGFRPと接着シートを積み

重ねたもので挟み込み、表面に反射体としてアルミシートを用い、更に

フッ素樹脂塗料のコーティングで仕上げたものになっている。反射率は

約 80%、小型鏡の焦点面での像の広がりは平均で約～0◦.1(FWHM)であ

り、主鏡の全体における像の大きさは 0◦.14± 0◦.01(FWHM)である。これは周差及び焦点距離のばらつきによる。

　また、小型鏡の裏にはステッピングモーターとギアで構成されるリニ

アアクチュエーターシャフトとばねシャフトの組を 1枚の鏡につき 2組取

り付け、アクチュエーターの伸縮による 2軸の傾斜制御を行っている (図

1.10右)。これにより焦点面内の 2次元の動きに対応することができ、焦

点の調整が可能である。その精度は 0◦.02である [11]。

図 1.10: 鏡と調節機構

19

1.3.2 カメラシステム

カメラ容器

CANGAROO-III望遠鏡のカメラシステムが収められているカメラ容

器 (図 1.11左)のサイズは φ80cm× 100cmの円柱形である。

図 1.11: カメラ容器とその内部

材質はアルミニウム合金製 (A5052)であり、カメラ容器単体での重さ

は約 34kgである。カメラ容器内壁には光の反射を防止するためにつや消

し黒色の処理が施されている。前から 55cmのところに厚さ 1.5cmのフラ

ンジが取り付けられており、このフランジの部分でボルト、ナット、スプ

リングワッシャによってカメラステイに固定される。3号機からはカメラ

のフランジ面とステイのフランジ面とを密着させずに固定している。こ

れによりボルトの長さを利用してステイのフランジ面に対してカメラを

移動させることが出来るため、カメラ正面を焦点面に合うように微調整

することが出来る。カメラ容器の重量制限は 100kgである [12]。

　カメラ容器の内部 (図 1.11右)には光電子増倍管とプリアンプをセット

にしたモジュール、シグナルケーブル等が収納されている。カメラの正

面、背面の外観を図 1.12に示す。光電子増倍管は六方細密構造の形で計

427本が敷き詰められている。

20

図 1.12: カメラ前面 (左)と背面 (右)

光電子増倍管

CANGAROO-III望遠鏡で使用している光電子増倍管モジュールR3479(図

1.13)について説明する。R3479にはシグナル増幅のためのプリアンプ

MAX4107が取り付けられた一体型モジュールである [13],[Appendix A]。

図 1.13: 浜松ホトニクス 光電子増倍管R3479

R3479の主な特性を表 1.1に示す。

21

項目 数値などの特性

外形 φ20.4mm+0.4mm−0.7mm(3/4インチ)× (174± 3)mm86g(ケーブル、コネクタ含む)

入射窓材 UVガラス

光電面材質 Bialkali

光電面サイズ φ15mm

ダイノード ラインフォーカス型

段数 8段

量子効率 25% @400nm

Rise time 1.3nsec

Transit time 14nsec

Transit time spread(T.T.S) 0.36nsec(FWHM)

表 1.1: 光電子増倍管R3479の主な規格

光電子増倍管R3479の光電面には大気チェレンコフ光のスペクトルピー

クである 300nm～400nmに感度の強い Bialkaliを使用し、受光面のガラ

ス材質も UVガラスを使用している。ダイノードの形は時間分解能とダ

イナミックレンジが優れている 8段ラインフォーカス型を採用している。

これらによりTransit Time Spread(T.T.S)は 0.36nsecとチェレンコフ光

の広がりおよそ 5nsecと比べて高い時間分解能を持つ。また、視野内での

増幅率の一様性を保つために、1本 1本異なる電圧をかけている。このた

めに現地へ輸送前に実験室で校正を行い、光電子増倍管にかける電圧を 1

本 1本決定している。これによる高電圧値のばらつきは 1σ = 6.7%以下

に抑えられている [13]。

ライトガイド

R3479は受光面が円形であるため、これをカメラ容器内に六方最密に

敷き詰めると、光電子増倍管の間に隙間 (dead space)が生じる。更に受

22

光面の有効面積は外形面積よりも小さい。この dead spaceを減らすため

に図 1.14のようなライトガイドを用いている [13]。

図 1.14: ライトガイド。左がT1用、右がT2～T4用

T2～T4のライトガイドは六角形をしており、光電子増倍管の受光面に

取り付けることで六方最密で敷き詰めたときの dead spaceを無くすこと

が出来る。ライトガイドの特性を表 1.2に示す。

項目 数値などの特性

材質 ポリカーボネート

内壁 アルミ蒸着の後 SiOコーティング

面積比 2.57

形状 Winston cone

反射率 (300nm～400nm) 約 80%

反射率 (400nm～) 約 89%

表 1.2: ライトガイドの主な特性。

ライトガイドはポリカーボネート製で内側はアルミ蒸着のあとSiOコー

23

ティングを施している。内面の反射率は80%である。形状はWinston cone

型を採用しており (図 1.15)、

約 33◦の角度以内で入射した光をほぼ 100%集光する。

上記の角度以上で入射した光は反射を繰り返し全て外へ出て行く。

という性質を持つ。ライトガイドを取り付けることで、光電子増倍管の

集光率は約 2倍に向上している。

図 1.15: Winston cone。左上から入射角度が θ1(a)、θ2(b)、θ3(c)の場合

(θ1 < θ2 < θ3)。この形状では θ2以上の入射光は全てカットされる。下は

Winstone cone(d)。

24

1.4 次期計画

CANGAROO-III望遠鏡は 4台目の望遠鏡が完成した 2004年から既に

5年が経過しており、最後に完成した 4号機を含め装置の劣化が激しく

なっている。観測地が砂漠であるため、砂嵐による鏡の劣化が特に激し

く、一部の鏡は風により落下したり、アルミシート面が剥がれたりして

いる (図 1.16)ため、全体で見た場合でも鏡の反射率は低下している。

図 1.16: 劣化し落下した鏡。表面のアルミシートが剥がれている。

そのため、鏡以外も含めた装置を修繕する必要があるが、ただ修理す

るだけではなく、より高性能な望遠鏡としてリファインしたほうが効率

的であり、今後の観測能力の向上にもつながる。

具体的には、

より反射率が良く軽量の反射鏡の開発

量子効率の良い光電子増倍管の開発

カメラシステムの軽量化により光電子増倍管の本数を増やすことで

の視野の向上及びピクセル単位でのコスト削減

等である。これは後述するガンマ線将来計画にCANGAROOグループが

参加する上にも必要なことである。

25

1.5 ガンマ線将来計画

1.5.1 CTA

CTA(Cherenkov Telescope Array)は欧州を中心として進められている

国際協力による次世代のガンマ線望遠鏡計画である [14]。北半球と南半球

に大気チェレンコフ望遠鏡を複数設置した大規模な観測装置を設置する

予定である。

図 1.17: CTA計画の望遠鏡配置のイメージ [14]。左は中心部からの設置

する望遠鏡の大きさのイメージ、右は中心からのエネルギーレンジのイ

メージ

図 1.17に CTA計画における望遠鏡配置のイメージを示す。このよう

に、中心部には大口径の望遠鏡を設置し、その周囲には中型の望遠鏡、さ

らにその外周には小型の望遠鏡を設置する。エネルギースレショルドは

中心部から 70mのところで～10-20GeV、250mのところで～50-100GeV、

数 kmのところで～1-2TeVを想定している。中心部に大口径の望遠鏡を

設置することで低いエネルギーの領域をカバーし、外周部に小型の望遠

鏡を設置することで高エネルギーの領域をカバーしている。さらにこの

望遠鏡を北半球と南半球に設置することで全天をカバーすることが出来

る。

　CTAの sensitivityのレンジを図 1.18に示す。

26

図 1.18: CTAの sensitivity(赤)[14]。縦軸は sensitivity=エネルギー×フ

ラックス、横軸はエネルギーを表す。現行の大気チェレンコフ望遠鏡よ

りも数倍 sensitivityの向上が期待できる。

現行のどの大気チェレンコフ望遠鏡よりも sensitivityが良く、より詳

しい測定が可能になる。

CTA計画のスケジュールを図 1.19に示す。開始から 5年以内までに試験

観測を開始し、本観測は 8年以内を目標としている。

図 1.19: CTA計画のスケジュール予定 [14]

27

1.5.2 AGIS

AGIS(Advanced Gamma-ray Imaging System)は北米を中心とした次

世代のガンマ線望遠鏡計画である [15]。1k�の有効面積内に 50台の望遠

鏡を設置しエネルギーレンジが 40GeV～200TeVまでの領域をカバーす

る。図 1.20にそのイメージ図を示す。

図 1.20: AGIS計画のイメージ。小型の望遠鏡を多数設置する [15]。

図 1.21にAGIS計画の sensitivityを示す。

図 1.21: AGISの sensitivity(青破線)[15]。縦軸は sensitivityを表す。

これと図 1.18を比較すると、AGISはCTAとHESSの中間程度の sen-

sitivityを持つと言える。

28

1.6 今回のR&Dの概要

今回行ったR&Dは新しいカメラシステムの開発および設計であり、詳

細は以下の通りである。

新しいプリアンプの選定

光電子増倍管一体型高圧電源回路の開発・設計

高圧電源をOFFにするリレースイッチ制御回路・方法の開発・設計

新しい光電子増倍管の性能測定

トータルコストダウン

現在の CANGAROO-III望遠鏡で活用できる条件で性能の向上について

のR&Dを行った。

前述の通りカメラ容器の重量制限は 100kgであるため、出来るだけ軽量

にしその分光電子増倍管を多くすることで性能の向上を図った。また、コ

スト面に関しても従来のコストと比較して 30%以上の削減を目標に開発

を行った。

29

2 カメラ設計・開発

2.1 プリアンプの選定

現在のCANGAROO-III望遠鏡のカメラでは、光電子増倍管からの信号

をその場でプリアンプに通し増幅している。これには以下の理由がある。

光電子増倍管を高い増幅率で使用した場合、星の光が入ることによ

りダイノードから二次電子を多量に生成し、光電子増倍管の劣化を

引き起こす。そのためある程度の増幅率までしか増幅できない。ま

た、High-Voltageの currentを落とす必要がある。そのためにプリ

アンプでの増幅を必要とする。

カメラ容器の重量制限が 100kgまでであり、カメラ内にADC等の

エレクトロニクスを置く余裕がないので、一度信号を増幅した後、

ケーブルを使い electronics hutまで送っている。

　現在のCANGAROO-III望遠鏡カメラのプリアンプにはMAXIM社製

MAX4107を使用しているが、この製品は既に生産中止となっているため、

MAX4107と同等以上の性能を持つプリアンプを選定した。選定の際、重

要視した項目は、ノイズレベル、ゲイン、立ち上がり時間、ダイナミック

レンジである。各項目の詳細については、各選定項目の項で述べる。

選定に使用したアンプの候補は表 2.1の通りである。

30

アンプの候補　

model

maker

-6dBBandWidth

(MHz)

SlewRate(V/µsec)

noise

level(n

V/√

Hz)

Iout(m

A)

MAX4107

MX

350

500

0.75

80

AD8001

AD

795

1000

2.0

70

AD8009

AD

1000

2250

1.9

175

AD8099

AD

510

715

0.95

131

OPA695

TI

1700

1450

1.8

120

OPA847

TI

600

950

0.85

100

THS3202

TI

1800

1760

1.65

115

LMH6702

NS

1700

2060

1.83

80

表2.1:光電子増倍管モジュール用アンプの候補。MAX4107と近い値を持つものを選択した。makerの略称は次の

通り。MX:MAXIM

,AD:Analog

Devices,TI:Texas

Instruments,NS:NationalSem

iconductor

31

2.1.1 ノイズレベル

現行のカメラでは、光電子増倍管からの 1 photoelectron(以下 1p.e.)信

号を、10mV程度にまで増幅して測定している。そのため、ノイズレベル

は 1mV以下にまで抑えられているのが望ましい。今回は 2nV/√

Hzを最

低レベルとした。このレベルであれば、信号の立ち上がり時間を t = 5nsec

としたとき、f = 200MHzであり、このときのノイズは、2nV/√

Hz ×√200× 106 ≈ 28µV となり、1mVよりも十分に低いノイズに抑えられる。各アンプのデータシート上でのノイズレベルは表 2.1の通りである。

測定に用いたアンプの回路図は図 2.1に示した。

-

+

A

B+Vcc

-Vcc

A

+

+5V

+

out VoutVin

C1 C3

C2 C4

-5VR1

Rg

Rf

R1:100ΩRg:51ΩRf:5KΩC1:0.1μFC2:0.1μFC3:4.7μFC4:4.7μFA:TDK noise filter ZJK51R5-00B:JPC pulse trans EP101C-222

図 2.1: アンプ選定の回路図。非反転型回路でテストを行った。ゲインは

RfとRgで決まり、gain = 1 + Rf/Rgとなる。

アンプの増幅回路としては、入力と出力の波形が反転する「反転増幅

回路」と、入力と出力の波形が同じ「非反転増幅回路」があるが、現行

のカメラシステムでは非反転増幅回路を用いているため、今回の測定で

も非反転増幅回路を用いた。

　ダミーシグナルを用いての選定に際して、ノイズ除去のために次の事

を行った。

32

直流電源ラインからのノイズ・・・アンプの電源供給ライン (図 2.1

のA)に TDK社製DCフィルタ ZJK51R5-00(表 2.2)を取り付ける

ことで、直流電源からのノイズを取り除いた。このノイズフィルタ

は 1～200MHzに対する減衰周波数特性を持っている。直流電源は

50HzAC100Vの交流電源から整流を行い直流へと変換しているた

め、ノイズとして残る成分の周波数は 50Hzである。このフィルタ

の減衰周波数特性域であれば、直流電源からのノイズを防ぐことが

出来る。

DC Filter　

model maker 定格電圧 (V)max 定格電流 (A)max 減衰特性周波数

ZJK51R5-00 TDK 50 0.5 1～200MHz

表 2.2: DCフィルタの特性

GNDラインからのノイズ・・・アウトプットラインに JPC社製パル

ストランス EP101C-222を取り付けた (図 2.1の B)。このパルスト

ランスは、向かい合う 2つのコイルの双方にGNDラインからのノ

イズをのせることで、ノイズを打ち消しあう。これにより、GNDラ

インからのノイズをトランスにより消すことが出来た。

AC100V電源ラインからのノイズ・・・AC100Vのコンセント～直

流電源間に TDK社製ノイズフィルタ ZAR2210-01Aを取り付け、

AC100Vラインからのノイズを遮断した。

大気中からのノイズ・・・図 2.2のように、回路全体をアルミ製の箱

で覆うことで、大気中を伝播してくるノイズ（特に 50Hzのノイズ）

を遮断することが出来た。

33

図 2.2: 大気中のノイズ対策のため、アンプの回路をアルミ製の箱に入れ、

外部にGNDラインを取り付けた。

以上により、どのアンプにおいても図 2.3のようにノイズを 1mV以下

にまで抑えることが出来、ノイズ面に関しては全てのアンプが条件を満

たすことが出来た。よって、全てのアンプがMAX4107の代わりとして

使用可能であるといえる。

5nsec

5mV

ノイズレベル～7mV

5nsec

5mV

ノイズレベル～1mV

図 2.3: 左がノイズ対策前、右がノイズ対策後のアンプの出力。アンプの

入力には光源 (LED)の代わりにダミーシグナルをパルサーから送った。

入力シグナルが立ち上がる点をトリガー条件とした。対策後のノイズレ

ベルは 1mV以下に抑えられている。選定に用いたアンプ候補は全てこの

レベルまでノイズを落とすことが出来た。

34

2.1.2 ゲイン

アンプの役割は信号を増幅することである。この際の増幅率 (ゲイン)G(倍)

は、図 2.1のRf とRgにより決まり、

G = 1 + Rf/Rg (2.1)

となる。尚、増幅率はデシベル (dB)という単位でも表され、

dB = 20 log10VoutVin

(2.2)

となる。Vin、Voutはそれぞれアンプの入力・出力電圧の値である。すな

わち 100倍増幅の場合増幅率は 40dBである。

アンプごとのゲインの測定方法を説明する。現行のカメラでは、光電

子増倍管により 2× 105倍まで信号を増幅し、その後プリアンプを用いて更に 60倍の増幅を行っている。この理由はこの章の始めで述べたとおり

である。

そこで、各アンプ候補がどの程度のゲインになると飽和してしまうのか

を調べた。図 2.1のRgを固定し、Rf を変化させることで、設定ゲインご

との出力電圧Voutをオシロスコープで確認し、この値と入力電圧値Vinか

ら実測ゲインを求めた。設定ゲインはGset = 1 + Rf/Rgで表され、実測

ゲインはGreal = Vout/Vinで表される。設定ゲインが 200倍までは測定点

を細かくし、それ以降は 1000倍までのゲインを測定した。

尚、この際に出力電圧としては、図 2.4のように、信号の始まりから直線

的に立ち上がっている (赤線)ところまでの電圧幅 (矢印)を測定した。ま

た、設定ゲインが大きくなるに従い、アンプの出力限界電圧を越えない

ように、入力電圧をアッテネータを通して小さくすることで、アンプの

出力を小さくし限界電圧よりも十分に小さい出力電圧での測定を行った。

35

図 2.4: アンプのゲイン測定、アンプからの出力をオシロスコープで見た

例。アンプの入力には光源 (LED)の代わりにダミーシグナルをパルサー

から送った。入力シグナルが立ち上がる点をトリガー条件とした。赤線

のように直線的に立ち上がっているところまでの電圧幅 (矢印)を測定し

た。設定ゲインをG = 1 + Rf/Rgとし、設定ゲインごとに、上図のVと

アンプに入力した信号の大きさから実測ゲインを求めた。尚、設定ゲイ

ンが大きくなってくると、出力電圧がアンプの最大出力電圧を越えてし

まう。そのため入力電圧をアッテネータを通すことで減衰させ、アンプ

の最大出力電圧よりも十分に小さい出力電圧での測定を行った。

選定条件としては以下のものを適用した。

実際に使用する設定ゲイン 100倍程度でMAX4107の測定ゲインが

約 60倍であるので、50倍以上の出力が得られているアンプを合格

とした。

設定ゲイン 100倍付近までの拡大図を図 2.5に、全体図を図 2.6に示す。

その結果、100倍程度ではAD8001、AD8099を除き大差がないことがわ

かった (表 2.3)。よってこれらを除くアンプ候補がこの倍率では適正な増

幅率を示していることから、MAX4107に代わるプリアンプとして使用可

能であるといえる。

36

図 2.5: 各アンプのゲイン比較の設定ゲイン 100倍付近までの拡大図。実

際に使用する設定ゲイン 100倍程度でMAX4107の測定ゲインが約 60倍

であるので、設定ゲイン 100倍で 50倍以上の出力が得られていることを

選定基準とした。その結果、THS3202、AD8001、AD8099以外のアンプ

候補は 50倍以上の増幅率を得ることが出来た。

model 測定ゲイン (倍) 選定結果

MAX4107 59 �

AD8001 36 ×

AD8009 53 ○

AD8099 28 ×

OPA695 89 ○

OPA847 55 ○

THS3202 45 ×

LMH6702 68 ○

表 2.3: 設定ゲイン 100倍での実測ゲイン値。選定基準である 50倍の実測

ゲインを得られたものには○、得られなかったものは×で示してある。

37

ゲイン比

較

0

50

100

150

200

250

300

350

0200

400

600

800

1000

1200

gain(Rf/Rg) [倍

]

gain(Vout/Vin) [倍]

MAX4107

OPA847

AD8001

OPA695

LMH6702

AD8009

AD8099

THS3202

図 2.6: 各アンプのゲイン比較 (全体図)。最大ゲインはMAX4107が一番

だが、100倍程度ではAD8001とAD8099を除き、どのアンプも大差がな

いことがわかる。 38

2.1.3 立ち上がりの速さ

シャワーのチェレンコフ光は数nsec程度の広がりを持ち、現行の光電子

増倍管R3479を用いてシグナルを測定すると、プリアンプMAX4107を

通した立ち上がり時間は 20nsec以下である。そのため、アンプ候補には

高速であることが求められる。各アンプの立ち上がり時間は、Slew Rate

という値の逆数として表される。すなわち、

立ち上がり時間 = 1/SlewRate (2.3)

となる。一般的に Slew Rateは増幅率が大きくなるほど小さく、すなわち

立ち上がり時間が遅くなる。データシート上での各アンプにおける Slew

Rateは表 2.1の通りである。

アンプごとの立ち上がり時間の測定方法を説明する。

各アンプに対してダミーパルスを送り、その立ち上がり時間をオシロス

コープの波形から調べた。図 2.1における Rg を固定し、Rf を変化させ

ることで、設定ゲインごとの立ち上がり時間を測定した。設定ゲインは

Gset = 1 + Rf/Rgで表される。

測定したゲイン幅としては、設定ゲインが 200倍までは測定点を細かく

し、それ以降は 1000倍までの立ち上がり時間測定を行った。

尚、この際に立ち上がり時間としては、図 2.7のように、信号の始まり

から直線的に立ち上がっている (赤線)ところまでの時間幅 (矢印)を測定

した。

39

図 2.7: 各アンプの立ち上がり時間測定、アンプからの出力をオシロス

コープで見た例。アンプの入力には光源 (LED)の代わりにダミーシグナ

ルをパルサーから送った。入力シグナルが立ち上がる点をトリガー条件

とした。赤線のように直線的に立ち上がっているところまでの時間幅 (矢

印)を測定した。設定ゲインごとに上図のTを測定することで立ち上がり

時間を求めた。

図 2.9に測定結果を示す。選定基準としては以下のものを使用した。

実際に使用する 100倍程度の増幅率で MAX4107と同程度の速さ

(20nsec以下)が得られているアンプを合格とした。

ゲインの項で設定どおりの増幅が得られなかったAD8001、AD8099を

除けば、最も立ち上がり時間が良いアンプはOPA695であった。実際に

使用する 100倍程度の増幅率では、どのアンプも大差がないことがわかっ

た。すなわち、AD8001およびAD8099を除くアンプ候補がMAX4107の

代わりとして使用可能であるといえる。

40

図 2.8: 各アンプの立ち上がり時間比較 (設定ゲイン 100倍付近の拡大図)。

実際に使用する設定ゲイン 100倍程度でMAX4107の立ち上がり時間が

17nsec程度であるので、設定ゲイン100倍で20nsec以下の立ち上がり時間

が得られていることを選定基準とした。その結果、LMH6702、THS3202

以外のアンプ候補は 20nsec以下の立ち上がり時間を得ることが出来た。

model 立ち上がり時間 (nsec) 選定結果

MAX4107 17 �

AD8001 20 ○

AD8009 20 ○

AD8099 12 ○

OPA695 19 ○

OPA847 18 ○

THS3202 30 ×

LMH6702 38 ×

表 2.4: 設定ゲイン 100倍での実測ゲイン値。選定基準である 50倍の実測

ゲインを得られたものには○、得られなかったものは×で示してある。

41

立ち上がり比較

0

20

40

60

80

100

120

140

0200

400

600

800

1000

1200

gain(Rf/Rg) [倍]

立ち上がり [nsec]

MAX4107

OPA847

AD8001

OPA695

LMH6702

AD8009

AD8099

THS3202

図 2.9: 各アンプの立ち上がり時間比較。どのアンプもゲインが大きくな

れば立ち上がり時間が遅くなっている。実際に使用するゲインである 100

倍程度ではどのアンプも立ち上がり時間に大差がないことがわかる。

42

2.1.4 ダイナミックレンジ

アンプに入る信号を大きくしていくと、ある電圧値からそれ以上出力

値が大きくならなくなる。この点をサチュレーションポイントという。こ

のときの電圧値は各アンプの最大出力電圧により決まっており、それ以

上の出力電圧は飽和してしまい、正しい出力が得られなくなる。この値

が大きいほど、入力に対しきちんと増幅された出力を得ることができる。

つまりより広いダイナミックレンジを持つ。CANGAROO-IIIで観測でき

るエネルギーレンジの上限は、プリアンプのダイナミックレンジにより

決まっているため、より広いダイナミックレンジを持つアンプを使用す

ることでエネルギーレンジを広げることが出来る。

　 γ線は生成する親粒子とその加速機構により異なるスペクトルを持つ

と考えられている (図 2.10)。

図 2.10: 親粒子とその加速機構によるガンマ線スペクトルの違い。

γ線の生成過程としては高エネルギー電子による光子の逆コンプトン

散乱および高エネルギー陽子と物質からの核反応で生成される π0崩壊な

どが考えられており、いずれの場合も γ線のエネルギースペクトルは加

速機構解明の重要な鍵を握る。より広いダイナミックレンジを持つアン

プを使用することで、図 2.10に示すスペクトルの違いを詳しく見ること

が可能となる。つまり、陽子起源の場合は頂点が平坦になり、電子起源の

43

場合は弓なりのスペクトルの形となる。また、光電子増倍管からの信号

をそれぞれ 100倍増幅のアンプと 1倍増幅のアンプに通すことでより広

いレンジを稼ぐことができる。サチュレーションポイントよりも小さい

信号に対しては 100倍増幅のほうのシグナルを見て、100倍増幅でサチュ

レーションしてしまうような大きなシグナルに対しては 1倍増幅のもので

見てやる。こうすることで、例えばサチュレーションポイントが 100p.e.

のアンプを 2つ用いれば、100 × 100 = 10000p.e.までのシグナルを見ることが出来る。このことからも、よりサチュレーションポイントが上の

アンプを選定することが重要となると言える。

　更に、アンプごとに加えることの出来る電源電圧にも違いがあり、一般

的に大きな電圧をかけることが出来るものほど、最大出力電圧も大きく

なる。高速アンプはそのほとんどが電源電圧=± 5Vまでであり、今回選

定に用いたアンプも全て最大電源電圧=± 5Vである。測定においては、

全てのアンプで電源電圧=± 5Vをかけて行った。

ダイナミックレンジの測定は以下の方法で行った。

100倍の増幅率で入力シグナルをアッテネータを通して減衰し、測定でき

る最低の出力電圧値 (V1p.e.)のときを1 photoelectronと定義した。その後、

増幅率は一定のままで、入力電圧Vinを増加させたときの出力電圧Voutを

測定し、このときの photoelectron数を、measuredp.e. = Vout/V1p.e.とし

てサチュレーションポイントを求めた。

測定領域は 600p.e.まで、つまり、V1p.e.× 600の入力電圧となるまで測定した。尚、この際に出力電圧としては、図 2.11のように、信号の始まり

から直線的に立ち上がっている (赤線)ところまでの電圧幅 (矢印)を測定

した。

44

図 2.11: アンプのダイナミックレンジ測定、アンプからの出力をオシロ

スコープで見た例。アンプの入力には光源 (LED)の代わりにダミーシグ

ナルをパルサーから送った。入力シグナルが立ち上がる点をトリガー条

件とした。赤線のように直線的に立ち上がっているところまでの電圧幅

(矢印)を測定した。設定ゲインをG=100とし、入力信号を変化させ、上

図のVとアンプに入力した信号の大きさからサチュレーションポイント

を求めた。

図 2.12に測定結果を、表 2.5に選定結果を示す。選定基準としては以

下のものを使用した。

MAX4107のサチュレーションポイントが約 300p.e.であるので、そ

れよりも大きなサチュレーションポイントを持つアンプを合格と

した。

45

model 飽和点 (p.e.) 選定結果

MAX4107 300 �

AD8001 220 ×

AD8009 450 ○

AD8099 200 ×

OPA695 400 ○

OPA847 250 ×

THS3202 180 ×

LMH6702 200 ×

表 2.5: サチュレーションポイントの選定結果。MAX4107のサチュレー

ションポイント (300p.e.)より良いものは○、悪いものは×で示した。

AD8009とOPA695の二つが、MAX4107よりも広いダイナミックレン

ジを持っており、AD8009が最も広いダイナミックレンジを持っているこ

とがわかった。ダイナミックレンジが広いほど、エネルギーレンジの上限

が広がる。また、光電子増倍管自身のサチュレーションポイントはこれよ

りもずっと上である。そのため、カメラの測定可能なエネルギー上限は実

質的にプリアンプにより決定されていることになる。よって、この項目

が選定項目の中で最も重要になる。新しいカメラシステムにAD8009を

用いた場合、サチュレーションポイントはMAX4107の約 1.5倍であるの

で、測定可能なエネルギーレンジも約 1.5倍向上することが期待できる。

46

サチュレーションポイント

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0100

200

300

400

500

600

700

inpu

t p.e.

output p.e.

MAX4107

OPA847

AD8001

OPA695

LMH6702

AD8009

AD8099

THS3202

図 2.12: 各アンプのサチュレーションポイント比較。

47

2.1.5 選定結果

以上の選定項目の結果を表 2.6に示す。

各項目において選定基準にあてはまるものは○、あてはまらないものは

×で示した。

model ゲイン (G=100) 立ち上がり時間 (G=100) 飽和点 (G=100)

MAX4107 59倍 17nsec 300p.e.

選定基準 50倍以上 20nsec以下 300p.e.以上

AD8001 × ○ (20nsec) ×

AD8009 ○ (53倍) ○ (20nsec) ○ (450p.e.)

AD8099 × ○ (12nsec) ×

OPA695 ○ (89倍) ○ (19nsec) ○ (400p.e.)

OPA847 ○ (55倍) ○ (18nsec) ×

THS3202 × × ×

LMH6702 ○ (68倍) × ×

表 2.6: アンプの選定結果。選定基準にあてはまるものは○、当てはまら

ないものは×で示してある。

全ての項目において選定基準にあてはまる性能をもつアンプはAD8009

とOPA695であった。前述の通り、選定項目の中でもダイナミックレン

ジが広いほど、エネルギーレンジ幅を広げることができる。そのため、新

しいカメラシステムのプリアンプは一番広いダイナミックレンジを持ち、

他の選定基準もクリアしているAnalog Devices社のAD8009を用いるこ

とにした。AD8009を用いた場合、ノイズレベル及びゲインはMAX4107

と同程度、ダイナミックレンジはMAX4107よりも約 1.5良いため、カメ

ラシステムのエネルギーレンジは約 1.5倍向上し、観測できる範囲を広げ

ることが出来る。

48

2.2 高電圧回路一体型PMT

2.2.1 現在のシステム

現在の CANGAROO-III望遠鏡のカメラシステムでは、光電子増倍管

用の高圧電源をカメラ容器の外部から供給している。高電圧供給システ

ムには、CAEN社製HVクレート SY527を用いている (図 2.13)。このク

レートにはHVボードを挿すための 10個のスロットがあり (図 2.14)、HV

ボードは 1枚で 24チャンネルのHVを個々にコントロールすることがで

きる。

図 2.13: HVシステム正面

図 2.14: ボードを背面に挿入してい

るところ。このボードを 10枚挿すこ

とができ、1枚のボードで 24チャン

ネルのHVをコントロールできる。

　ひとつの望遠鏡につきクレートを 2台使用しているため、最大で 480

チャンネルのHVを個々にコントロールできる。CANGAROO-III望遠鏡

の光電子増倍管は 427本で構成されており、各光電子増倍管に対して自

由にHV値を与えられるので、HVを変化させることにより全ての光電子

増倍管モジュールの増幅率が 1.2× 107(プリアンプを含むゲイン)となるように個々のチャンネルでHV値を調整している。

このシステムでは、1つのチャンネルが故障した場合、それを修理す

るために正常な残りの 23チャンネルが使用できなくなるという欠点があ

る。故障内容の検証のため現地で異常が発生したボードを日本に持ち帰

49

り、ダミー回路 (図 2.15)を繋げて長期エージングをした。

図 2.15: HVボード長期エージング用ダミー回路。光電子増倍管と同等の

10MΩの抵抗をつなげてある。放電対策としてシリコンゴムでポッティン

グをした。

その結果、故障として最も多いのが、設定した電圧値よりも低くなっ

てしまう「Under-Voltage」(図 2.16)であることがわかった。

図 2.16: Under-Voltageが出ているHVボードの長期エージング結果。橙

色×印の ch21の出力だけが時おり降下している。

この図の通り、故障は常に異常が出ているわけではなく、時おり異常

50

おきては正常に戻るということを繰り返していることも判明した。実際、

観測地からの報告では、異常が起きたボードが次の日には何事も無く正

常に動いたという報告が何件もされている。これは内部的には故障箇所

が発生しているが、それが軽い場合には時おり異常が起きるという状況

であると推察できる。この修理には専用のボードを用いて内部のプログ

ラムを書き換える必要があるため、現地で修理することが出来ず、日本

に持ち帰り修理を依頼するという形になってしまう。その間は予備のHV

ボードを挿しておく必要がある。

　チャンネルごとの故障率は 1% 以下であるが、1台の望遠鏡につき 427

チャンネル、18枚のボードを用いているため、図 2.16のような故障はし

ばしば発生する。修理部品の納入状況などにより予備ボードが尽きてし

まった場合には、一気に 24チャンネルが使えなくなってしまう。またHV

ボードはトランクケースに 1枚しか入れることが出来ないほど大きく重

量があり、頻繁に日本と現地でやり取りすることが難しい。

　このような事態が起こらないようにするため、新しいカメラシステム

ではHVシステムをカメラ内に組み込み、HV一体型カメラシステムの開

発を目指した。このような形であれば、故障した場合は 1チャンネルが

使えなくなるだけで済み、正常なチャンネルを犠牲にしなくても良いと

いう利点がある。

51

2.2.2 目標とするシステム

現在のシステムでは、1チャンネルあたりのコストとして、光電子増倍

管に 35000円、ブリーダー回路 (ActiveBase+PreAmp)に 35000円、HV

システムに 30000円の合計約 100000円がかかっている。

　新しいカメラシステムでは、これらのコストを出来るだけ削減し、目

標を以下のように設定した。

現行のカメラシステム

� PMT(R3479)・・・¥35,000-

� ActiveBase+PreAmp・・・¥35,000-

� HV-system・・・¥35,000-/ch

� total-cost・・・¥105,000-

新しいカメラシステム

� PMT・・・¥35,000-

� PreAmp+HV-system・・・¥35,000-

� total-cost・・・¥70,000-

特に、CAEN HVシステムから光電子増倍管内蔵型のHV回路に変更

することで、1チャンネルあたりのコストの大幅な削減を目指した。

52

2.3 高電圧回路

2.3.1 コッククロフト・ウォルトン回路

コッククロフト・ウォルトン回路は、高圧電源を作るときに使われる整

流回路方式であり、主にテレビやCRTのブラウン管用の高圧電源に使用

され、多段型整流方式とも呼ばれている。これは、Ernest Thomas Sinton

Waltonと John Douglas Cockcroftが 20世紀初頭に粒子加速器のための

高電圧発生装置に用いた回路である。

　通常、高圧電源を構成する方法としては、トランスの 2次巻き線を数

多く巻き、その巻数比に応じた高い電圧を得る方法が用いられる。しか

しながらこの方法では、トランス内部での電圧を確保するための構造が

複雑になる上、高い耐圧の整流ダイオードを必要とし、トランス自体の

大きさ・質量も大きくなるため光電子増倍管内に収めることが困難とな

る。そこで、ダイオードとコンデンサのみで高電圧を得ることが出来る

コッククロフト回路についてR&Dを行った。

　コッククロフト・ウォルトン回路の動作原理を図 2.17に示す。１のパル

サーから交流波を入力すると、２の点ではダイオードにより交流波の正

の部分のみが残る。３の点では手前のコンデンサが充電されるため、交

流波の最大点が維持され直流へと整流される。以上がコッククロフト回

路の１段での動作となる。２段目では、１段目で整流された点を土台と

して１段目と同じ動作が繰り返され、５で整流された出力電圧は１段目

の２倍となる。コンデンサ 2個とダイオード 2個からなる 1段の回路自体

はただの整流回路であるが、これを何段も組み合わせていくことで電源

電圧×段数の出力を得ることが出来る。すなわち、トランスの端子電圧

を何倍にでも倍増することができるので、トランスの電圧はさほど高く

する必要はなく、整流ダイオードも原理的にはトランスの電圧の 2倍の

耐圧で済む。また、ダイオードとコンデンサだけで構成されているため、

非常にコンパクトで軽量である。

コッククロフト回路の原理は前述の通りであり、段数を増やすほど出

53

①

②

③

④

⑤

①

②

③

④

⑤

図 2.17: コッククロフト・ウォルトン回路の動作原理。電源電圧×段数の

出力が得られる。図は 2段。

力電圧は大きくなる。また、入力電圧を大きくすることで、段数が少な

くても高電圧を得ることが可能である。

　では、実際に回路に組み込む際に何段のコッククロフト回路を製作す

れば良いのかは、使用する光電子増倍管の分割抵抗比により変わってく

る。分割抵抗比とは、カソード～第１ダイノード間、各ダイノード間、最

終ダイノード～アノード間に取り付けるディバイダー回路の抵抗比のこ

とであり、これは各間にかかる電圧比に等しい。ディバイダー回路では、

カソードとアノードの間に高電圧をかけているが、それに対して直列に

54

抵抗を繋ぎ、抵抗間と各ダイノードを繋ぐことでダイノード間の電圧を

割り振っている。この抵抗のかわりに直接コッククロフト回路を繋ぎ、各

ダイノード間のコッククロフト回路の段数を変えることで、抵抗で分割

していた高電圧を直接振り分けることが出来る。

　図 2.18は現在の CANGAROO-III望遠鏡で用いている光電子増倍管、

R3479のディバイダー回路図である。

図 2.18: R3479のディバイダー回路図。分割抵抗比は 14:2:3:2:2:2:2:2:2で

ある。

この分割抵抗比は

7.5 : 1 : 1.5 : 1 : 1 : 1 : 1 : 1 : 1 = 14 : 2 : 3 : 2 : 2 : 2 : 2 : 2 : 2

であり、コッククロフトの段数が

14 + 2 + 3 + 2 + 2 + 2 + 2 + 2 + 2 = 31段

であれば、分割抵抗比どおりに各ダイノード間にコッククロフト-ウォル

トン回路からの高電圧を割り振ることが出来る。

以上より、31段のコッククロフト回路を試作することにした。

まず、使用するコンデンサの容量について、1nFと 4.7µFの 2種類のコ

ンデンサで 10段コッククロフト回路を試し、各段での出力電圧を測定し

55

コンデンサ別コッククロフト10段出力電圧

0

20

40

60

80

100

120

140

160

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

段数

出力電圧 [V]

1nF

4.7μF

図 2.19: コンデンサの容量別コッククロフト回路の 10段目までの出力電

圧。1nFに比べて 4.7µFでは 10段目までより大きい出力電圧が得られて

いる。

た。図 2.19はその結果である。1nFにくらべて、4.7µFのほうがより大

きい出力電圧を得られることがわかった。

試作に際し、当初はガラスエポキシ基板を用いて回路を製作したが、回

路に電圧をかけると基板の耐電圧を越えてしまい、大幅な電圧降下が起

こり出力電圧が全く得られなかった。そのため、空中配線で回路を作成

した。図 2.20は作成した 31段コッククロフト回路である。

図 2.20: 製作した 31段コッククロフト・ウォルトン回路。コンデンサは

4.7µFの 100V耐圧アルミ電解コンデンサ、ダイオードは 100V耐圧のも

のを使用した。コンデンサ及びダイオードには前段との電位差がかかるた

め、入力電圧が 100V以内であれば上記の部品の耐圧条件で十分である。

56

2.3.2 リップルノイズ

コッククロフト回路では、交流波を整流して直流へと変化させている。

その際、出力先に整流し切れなかった交流波の成分が残る。これをリッ

プルノイズという。

リップルノイズが大きいと、それだけ電圧の変動幅が大きくなる。常に

一定の直流電圧を得るためには、リップルノイズを極力抑える必要があ

る。また、CANGAROO-III望遠鏡のカメラシステムで用いている光電子

増倍管では、電圧でシグナルを測定している。そのため、リップルノイ

ズとシグナルを間違えないよう、分離してやる必要がある。

ここでは、リップルノイズの削減と、シグナルの分離について述べる。

コッククロフト回路に入力する波形及び周波数により、リップルノイ

ズに変化があるかを調べた。

　まず、矩形波を入力したときのリップルノイズを測定した。矩形波の

発振回路にはタイマー IC NE555を用い、図 2.21のように発振回路を作

成した。

CLRR

S

5kΩ

5kΩ

5kΩ

0.01μF

R1

R2

OUT

1

32

48

76

5

Q

NE555

FlipFlop

Vcc

C

図 2.21: タイマー IC NE555を使用した矩形波発振回路。発振周期はR1

、R2、Cにより決まり、Highになっている時間を TH、Lowになっている

時間を TLとすると、TH = 0.693(R1 +R2)C、TL = 0.693R2Cとなり、発

振周波数は f = 1/(TH + TL)となる。今回は約 50kHzの周波数となる、

R1 = 150Ω、R2 = 1100Ω、C = 0.01µF で測定を行った。

57

この回路の発振周期はR1、R2、Cにより決まり、Highになっている時

間を TH、Lowになっている時間を TLとすると、TH = 0.693(R1 +R2)C、

TL = 0.693R2Cとなる。よって、発振周波数は f = 1/(TH + TL)で表さ

れる。今回は約 50kHzの周波数となる、R1 = 150Ω、R2 = 1100Ω、C =

0.01µF で測定を行った。この回路を用いてリップルノイズの測定を行っ

た結果、コッククロフト回路 31段目には約 4Vのリップルノイズがのっ

ていることがわかった (図 2.22)。

図 2.22: 矩形波入力時のリップルノイズ。左がパルサーのアウトプット、

右がコッククロフト回路 31段目におけるリップル。入力シグナルの立ち

上がりの点をトリガー条件とした。図下部の信号は高圧プローブを通し

て見た入力信号であり、今回のリップルとは無関係。

ノイズが最も大きい部分は、矩形波の立ち上がりから平坦になる点であ

り、発振回路からのシグナルの時点でこの部分にのっている歪みが、リッ

プルにも大きな影響を与えていると考えられる。

矩形波では発振回路のシグナルの歪みがリップルに大きな影響を与え

ていることがわかったため、正弦波により発振回路のシグナルを滑らかに

することでリップルがどうなるかを調べた。正弦波発振回路には汎用オ

ペアンプTL08Cを用い、図 2.23のように回路を作成した。発振周波数は

R1、R2、R3、C1、C2、C3により決まり、発振させたい周波数を f とする

と、C1 = 任意、C2 = C1、C3 = 2C1、R1 = f/1.386C1、R2 = 1/8.886fC1

、R6 = R5となる。矩形波のときと同じ約 50kHzの周波数となる、C1 =

C2 = 0.001µF、C3 = 0.002µF、R1 = 12kΩ、R5 = R6 = 1.8kΩで測定

した。

58

-

+

-

+

1kΩ1kΩ

Vcc

C1 C2

C3

R1

1kΩR2 R3

AMPAMP

AMP:TL08C

OUT

図 2.23: オペアンプTL08Cを使用した正弦波発振回路。発振周波数はR1

、R2、R3、C1、C2、C3により決まり、発振させたい周波数を f とすると、

C1 = 任意、C2 = C1、C3 = 2C1、R1 = f/1.386C1、R2 = 1/8.886fC1

、R6 = R5 となる。今回は約 50kHz の周波数となる、C1 = C2 =

0.001µF、C3 = 0.002µF、R1 = 12kΩ、R5 = R6 = 1.8kΩで測定を行った。

測定結果を図 2.24に示す。

図 2.24: 50kHzの正弦波入力時のリップルノイズ。左がトランスのアウ

トプット、右がコッククロフト回路 31段目におけるリップル。入力シグ

ナルの立ち上がりの点をトリガー条件とした。

リップルノイズは 600mVまで小さくすることができ、発振回路のシグ

ナルの歪みを滑らかにすることにより、リップルノイズを削減できるこ

とがわかった。

59

次に、発振回路の周波数を変化させることでリップルノイズに変化が

あるかを調べた。50kHzの正弦波で約 600mVのリップルノイズが残って

いるため、発振回路のかわりにAC100V用トランスを用いて、約 20V程

度まで降圧させた 50Hz正弦波をコッククロフト回路に入力した。その結

果を図 2.25に示す。周波数を低くしたことで、リップルノイズを約 30mV

まで削減することが出来た。

図 2.25: 50Hz入力時のリップルノイズ。左がトランスのアウトプット、

右がコッククロフト回路 31段目におけるリップル。入力シグナルの立ち

上がりの点をトリガー条件とした。30mV程度のリップルノイズが残って

いるが、トランスのアウトプットの周波数を小さくするとリップルが減

少することがわかる。

ここまでは、コッククロフト回路の入力側を変化させてリップルノイ

ズを削減してきたが、ここでは、コッククロフト回路の出力側にハイパ

スフィルタ (図 2.26)つけ、リップルノイズを減らす方法を述べる。

図 2.26: ハイパスフィルタ。f = 1/2πRC以下の周波数は減衰される。

60

ハイパスフィルタとは、ある周波数よりも低い周波数の信号を減衰さ

せ、高い周波数のみを残すフィルタである。この周波数をカットオフ周

波数といい、fc = 1/2πRCで表される。

　今回用いたハイパスフィルタでは、R = 100Ω、C = 1nF の抵抗及びコ

ンデンサを用いて、カットオフ周波数を fc ≈ 1.6MHzに設定した。回路図を図 2.27に示す。

図 2.27: ハイパスフィルタを入れたコッククロフト回路。最終段の後に

ハイパスフィルタを入れたことにより、f = 2πRC ≈ 1.6MHz以下の周波数、すなわち τ ≈ 600nsecよりも遅い成分を取り除くことができる。

コッククロフト回路の入力側には、前述の 50HzAC100V用トランスを

用いているため、リップルノイズの周波数も 50Hzとなる。このため、カッ

トオフ周波数が 1.6MHzであればリップルノイズを十分に減衰させるこ

とが出来、且つ光電子増倍管からの信号はそれよりも十分に高い周波数

であるので、信号を減衰してしまうことはない。

61

図 2.28はハイパスフィルタを入れた後のリップルノイズである。ハイ

パスフィルタを入れたことで、リップルノイズの波形は消え、ノイズレ

ベルを 5mV程度まで下げることが出来た。

図 2.28: ハイパスフィルタを入れた後のリップルノイズ。入力シグナル

の立ち上がりの点をトリガー条件とした。遅い成分が取り除かれたこと

で、ノイズレベルは 5mV程度まで落とすことが出来た。

以上より、コッククロフト-ウォルトン回路に入力する交流波は、波形

が滑らかな正弦波であり、発振周波数は低いほどリップルノイズを落と

せることがわかった。量産時には、50HzAC100Vにトランスを通すなど

の正弦波電源を供給する形を考えている。こうすることで専用の電源を

用意することなく、コストの削減及びカメラシステムの軽量化が期待で

きる。

62

2.3.3 ダミーシグナルとリップルノイズの分離

前項で述べたとおり、コッククロフト回路のリップルノイズを 5mV程

度まで下げることが出来たが、これはあくまでコッククロフト回路自体

のリップルノイズであり、実際にこの回路を光電子増倍管に繋げて使用

する場合、これに光電子増倍管からの信号が加わり、更にプリアンプで

増幅されたものを見ることになる。そこで、実際にコッククロフト回路

からのリップルノイズとダミーシグナルを足し合わせ、それをプリアン

プで増幅した上で信号の識別が出来るか実験した。

図 2.29にその回路図を示す。

図 2.29: ダミーシグナルとリップルノイズの分離。ハイパスフィルタに

よりリップルノイズが取り除かれ、速い成分であるダミーシグナルのみ

をアンプで増幅している。

コッククロフト回路の入力側には 50HzAC100V用トランスを用い、出

力側でダミーシグナルを足し合わせたものにハイパスフィルタを通して、

選定したプリアンプAD8009を接続した。

　実際にダミーシグナルを送り、プリアンプの出力をオシロスコープを

用いて測定したところ、ノイズしか見えず、ダミーシグナルは確認でき

なかった。ハイパスフィルタを通してリップルノイズは減衰しているの

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で、コッククロフト回路自体がアンテナの役割をして大気中のノイズを

拾っており、そのノイズをプリアンプが増幅しているためノイズしか見

えないのではないかと考え、次のようにノイズ対策を行った。

まず、コッククロフト回路全体を金属で覆い、外部からのノイズを遮

断した。具体的には、接触しないようにシリコンゴムでポッティングし

たコッククロフト回路をアルミ箔で覆った。しかしこの状態でもノイズ

は消えなかったため、アルミで覆ったコッククロフト回路を金属製の箱

に入れ、箱の外部にGNDラインを取り付けた。更に、この箱をトランク

ケースの中にいれ、トランクケースの外部にもGNDラインを取り付けた

(図 2.30)。

図 2.30: ノイズ対策としてシリコンゴムでポッティングしたコッククロ

フト回路の周りをアルミニウム箔で覆い、金属製の箱の中に入れた上で

更にトランクボックス内に置き、外部からのノイズを遮断した。

こうすることにより、外部からのノイズとコッククロフト回路を切り

離した。これにより、図 2.31のように、シグナル自体を確認することは

出来たが、6mV程度のノイズが残ってしまった。

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図 2.31: コッククロフト回路を金属製ケースおよびトランクケースで覆っ

た後のアンプからのアウトプット。ダミーシグナルの立ち上がりをトリ

ガー条件とした。シグナルは確認できるが、まだ 6mV程度のノイズが残っ

ている。

そこで、図 2.32に示すように、フェライトコアをケーブルに 3重巻に

したものをコッククロフト回路とハイパスフィルタの間に接続した。

図 2.32: フェライトコアに LEMOケーブルを 3重巻にして使用した。

フェライトコアとは、デジタル機器のインターフェイスケーブルなど

に使用されているノイズフィルタである。金属酸化物の強磁性体で構成

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されており、伝送線にノイズ電流が流れる事により発生する磁界を吸収

し、熱に変えケーブルから放射することで、ノイズを低減させる事が出

来るもので、特に高周波域でのノイズ減衰に効果がある。

フェライトコアを使用したことで、図 2.33のようにノイズレベルを 1mV

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