日本物理学会 2023年 春季大会 2023年3月24日

1. FAST実験14：新型⼤気蛍光望遠鏡による
南北半球での極⾼エネルギー宇宙線観測と
⾃⽴稼働へ向けた開発研究
http://www-cr.scphys.kyoto-u.ac.jp/m_ron/nagasawa_M.pdf
修⼠論⽂（京都⼤学宇宙線研究室のHPに掲載）
Justin Albury, Jose Bellido, Fraser Bradfield, Ladislav Chytka, John Farmer, Toshihiro Fujii, Petr Hamal, Pavel
Horvath, Miroslav Hrabovsky, Hiromu Iwasaki, Vlastimil Jilek, Jakub Kmec, Jiri Kvita, Max Malacari, Dusan
Mandat, Massimo Mastrodicasa, John Matthews, Stanislav Michal, Hiromu Nagasawa, Hiroki Namba,
Xiaochen Ni, Libor Nozka, Tomohiko Oka, Miroslav Palatka, Miroslav Pech, Paolo Privitera, Shunsuke Sakurai,
Francesco Salamida, Petr Schovanek, Radomir Smida, Zuzana Svozilikova, Stan Thomas, Akimichi Taketa,
Kenta Terauchi, Petr Travnicek, Martin Vacula (FAST Collaboration)
⻑澤 広武 （京都⼤学修⼠2年）
2023年3⽉24⽇ ⽇本物理学会 2023年春季⼤会 オンライン

2. 2
• 極⾼エネルギー宇宙線
（Ultra High Energy Cosmic Ray; UHECR）
• 最⼤で1020 eVを越えるようなエネルギーを持つ
• 1世紀あたり1 km2あたりわずか1個程度
極⾼エネルギー宇宙線
• 観測から推定されたUHECRの質量組成
• 1020 eV前後については、統計が少ないことと
ハドロン相互作⽤モデルの不定性により未解明
• 磁場で曲げられにくく、
加速源を特定すること
が可能
• 到来⽅向と既知の天体
との相関が期待
• ⾼エネルギー天体物理
現象の理解
(R. U. Abbasi, et al. 2014.)
1019.5 eV（=約30 EeV）
以上で観測事象数が
⾜りていない
銀河⾯ 超銀河⾯
ü 宇宙線の起源や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
(Frank G. Schröder. ICRC2019) (Jose Bellido. ICRC2017)
有意度

3. 3
Fluorescence detector Array of
Single-pixel Telescopes (FAST)
• 低コストな⼤気蛍光望遠鏡（FD）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
• 各光電⼦増倍管ごとに15度×15度の視野⾓
ü 1ステーションあたり12台の望遠鏡を設置
ü 20 km間隔で500カ所に設置
ü 150,000 km2 (有効検出⾯積30,000 km2)
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
20 km
(15 kmの例)
ü FAST-FDアレイの
配置イメージ
ü FAST-FDステーション
FDステーション
Ø 三⾓格⼦配置 & FDのみで構成

4. 4
FASTでの宇宙線観測
• 開発研究として望遠鏡(FAST-FD)を設置
• TAサイトに3台、Augerサイトに1台
• TAサイト：2016, 2017, 2018年設置
• Augerサイト：2019年設置
• 2023年度にAugerサイトへ2台⽬の設置予定
ü 現在はNIMモジュールを⽤いて観測
ü ⼤規模化（低消費電⼒, 48チャンネル読み出し）
に対応するためには新しいデータ取得システムの
開発が必要
ü TAサイトのFAST-FDによって観測された宇宙線
イベントの波形信号の例
(現状のデータ取得システムによる運⽤)
ü TAサイトのFAST-FD
1号機 2号機 3号機
ü FAST-FDの現状の
データ取得システム
(M. Malacari, et al., 2020.)
約4 µs
約4 µs

5. 5
ü 増幅率測定
光電⼦増倍管の基礎特性評価
• 実験室内にて光電⼦増倍管(Photomultiplier-Tube; PMT)の基礎特性評価
• Augerサイトに設置予定のFAST-FD 2台⽬に使⽤する4本のPMTについて評価
Ø 1光電⼦測定
• ゲインの絶対値を測定
Ø ゲインカーブ測定
• ゲインの相対変化を測定
• ロボットアーム先端にレーザー光源
• 波⻑ = 405 nm, 時間幅 = 80 ps
• 使⽤したPMT R5912-03
• 20 cm直径, ボックスアンドライン型
• 8段ダイノード, 最⼤印加電圧+2500V
ü PMT基礎特性評価の様⼦ ü PMT R5912-03
＜例：GE0019の測定結果＞
• ゲイン =
(0.971±0.005)×107
1 pe
2 pe
0 pe
＜例：GE0019の測定結果＞
• a = 4.42±0.05
4071 nT (X)
30511 nT (Y)
35803 nT (Z)
⻩線は地磁気の強度
à 観測中の印加電圧（ゲインが5x104になる電圧）を決定

6. 6
⼤⼝径PMTの⾮⼀様性特性評価
• 感度と応答時間の⾮⼀様性（個体差）
• ゲイン測定で評価した4本のPMTを評価
• HV = 1100 V
• レーザー光源を1 cmごと(12 cmまで)、
15度ごとに移動させて測定
• 応答時間の⾮⼀様性
• 各PMTにて最も早い応答時間を0 nsとして表⽰
• 最⼤でも4 ns程度 (FASTでは1 bin = 100 nsで評価)
• 感度の⾮⼀様性
• 各PMTにて最⼤出⼒電荷量を1として表⽰
第1ダイノードのおおよその位置

7. 7
⼤⼝径PMTの⾮⼀様性特性評価
• 磁気シールドによる地磁気影響軽減効果の評価
• FINEMETⓇを使⽤ (千葉⼤ ⽯原さんより拝借)
• 新型PMT R14688の⾮⼀様性特性の評価
• 加速電極付き8インチ10段
• R5912-03よりも⼀様性が向上
• PMT R14688
• 加速電極
• 第1ダイノードの幅が1.5倍
• R5912-03にシールドを取り
付けて⾮⼀様性特性の評価
• シールド装着後に架台に設置
• 半分の深さまで
第1ダイノードのおおよその位置 第1ダイノードのおおよその位置

8. 8
n 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 > 10 MHz, 48チャンネル読み出し
• 太陽電池で賄える程度の低消費電⼒での動作
à 試作基板での消費電⼒量は約8W < 太陽電池で賄える電⼒ 30W
• 摂⽒ -25度~+40度での動作
新データ波形収集回路の開発
Ø各4ch, 12セット
Ø固定ゲイン 50倍
(PMTゲインを抑えるため)
ØFADC 2チップ実装
Ø16 ADC変換ch (32ch⼊⼒モード)
Ø14 bit, 40MSPS
Ø Zynq
PMT
• ⼤規模化に対応するためには新しいデータ取得システムを開発
① AMPボード ② FADCボード
③ SoCボード
④ MIOボード
PC

9. 9
TAサイトでの運⽤テストを実施
可搬型光源を⽤いた望遠鏡の較正
2022年11⽉TA観測サイト＠⽶国ユタ州

10. 10
TAサイトでの運⽤テスト
• TAサイトにて、新データ収集回路による宇宙線観測試験を初めて実施
• TA-FDのトリガー信号を新データ波形収集回路に⼊⼒して運⽤テスト
• 時間幅250 ns程度のイベント
• 宇宙線由来のチェレンコフ光の可能性あり
Ø 新データ波形収集回路によって
取得されたTA-FDのトリガー信号
Ø 運⽤テストでの
新データ波形収集回路
閾値
+2047
ü 観測時間 = 153分、総トリガー数 = 10495
ü 取得した信号の例
(少なくとも1本以上)
約250 ns
約250 ns
PMT信号
PCへ接続
TA-FDトリガー信号
約12.5 µs

11. 11
まとめ ・ 今後
n FAST
• 低コストな新型FDをアレイ状に配置して、
30 EeV以上の宇宙線の有効検出⾯積を現⾏の10倍に
• 宇宙線の起源・加速機構の解明
• 100 EeVでの質量組成の測定
• ⾃⽴稼働へ向けた開発を進めている
n PMTの基礎特性試験
• ゲイン測定 (1光電⼦, ゲインカーブ)
• ⾮⼀様性の測定 (地磁気影響, 新型PMT)
n 新データ波形収集回路の開発
• 試作基板完成 & ファームウェア開発
• 運⽤テスト(実験室, TAサイト)
n 今後
• 新データ波形収集回路
Ø データ読み出しの改善
Ø トリガーの改良とその動作テスト
• Augerサイトへ2台⽬の設置へ向けて準備を進める
Ø PMTの輸送
Ø 設置場所の準備