Development of optical telescopes with nano-second time resolution and sub-miliarcsecond angular resolution

本研究の肝である強度干渉系の感度をあげるには、高い量子効率が求められる。その点で、従来型の光電子増倍管よりも、半導体光センサーSiPMが勝る。一方で、強度干渉系にとっては出力パルスの幅も感度に直結する。狭ければ狭いほど時刻情報が正確になり、強度干渉の精度が上がる。しかし通常SiPMのパルス幅は数十から数百ナノ秒あり、従来型の光電子増倍管には劣る。読み出し回路で整形することにより、その問題を解決する予定であったが、浜松ホトニクスの提案により、センサーそのものの出力波形を細くできる可能性があることがわかった。そこで、方針を転換し、浜松ホトニクスとともに、特殊なSiPMを開発した。クエンチング抵抗を極端に大きくすることにより、出力幅は3-4 ナノ秒となった。その副産物として、パルスの後に2マイクロ秒の長さのテールが続くこともわかった。そのテールの原因を詳しく探ったが、SiPMのマイクロセルの放電に時間がかかるためと判明した。それは、バイアス電圧の回復にも時間がかかることも意味するが、強度干渉系の場合、強い光を検出することがないため、ほとんど問題にならないこともわかった。ダークカウントレートや光クロストークの確率にも問題がないことが確かめられた。さらに、それを搭載するモジュールについても開発をすすめた。これまで開発してきた信号合算回路や温度補償回路、ライトガイドを搭載し、大口径望遠鏡に搭載できる形のモジュールのデザインが完成した。

本研究の肝である強度干渉系の感度をあげるには、高い量子効率が求められる。その点で、従来型の光電子増倍管よりも、半導体光センサーSiPMが勝る。一方で、強度干渉系にとっては出力パルスの幅も感度に直結する。狭ければ狭いほど時刻情報が正確になり、強度干渉の精度が上がる。しかし通常SiPMのパルス幅は数十から数百ナノ秒あり、従来型の光電子増倍管には劣る。読み出し回路で整形することにより、その問題を解決する予定であったが、浜松ホトニクスの提案により、センサーそのものの出力波形を細くできる可能性があることがわかった。そこで、方針を転換し、浜松ホトニクスとともに、特殊なSiPMを開発した。クエンチング抵抗を極端に大きくすることにより、出力幅は3-4 ナノ秒となった。その副産物として、パルスの後に2マイクロ秒の長さのテールが続くこともわかった。そのテールの原因を詳しく探ったが、SiPMのマイクロセルの放電に時間がかかるためと判明した。それは、バイアス電圧の回復にも時間がかかることも意味するが、強度干渉系の場合、強い光を検出することがないため、ほとんど問題にならないこともわかった。ダークカウントレートや光クロストークの確率にも問題がないことが確かめられた。さらに、それを搭載するモジュールについても開発をすすめた。これまで開発してきた信号合算回路や温度補償回路、ライトガイドを搭載し、大口径望遠鏡に搭載できる形のモジュールのデザインが完成した。