[論文レビュー] A Compact High Energy Camera for the Cherenkov Telescope Array

M. K. Daniel, R. White+24 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2013

Particle Detector Development and Performance被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、Cherenkov Telescope Array の Small-Sized Telescopes (SST-2M) のための Compact High Energy Camera (CHEC) の設計およびプロトタイピングを提示する。CHEC-M（マルチアンプフォトマルチプライヤー：MAPM を使用）と CHEC-S（シリコンフォトマルチプライヤー：SiPM を使用）の2つのプロトタイプを含む。カメラは1 m の半径を有する曲面フォーカルプレーンを採用し、直径35 cm、視野角9°を有する。内部にLEDフラッシュャーシステムを統合し、ナノ秒スケールのCherenkov光記録を実現するため、CTA の高エネルギーガンマ線検出要件を満たすために、1ナノ秒未塔のタイミング分解能を達成する。

ABSTRACT

The Compact High Energy Camera (CHEC) is a camera-development project involving UK, US, Japanese and Dutch institutes for the dual-mirror Small-Sized Telescopes (SST-2M) of the Cherenkov Telescope Array (CTA). Two CHEC prototypes, based on different photosensors are funded and will be assembled and tested in the UK over the next ~18 months. CHEC is designed to record flashes of Cherenkov light lasting from a few to a hundred nanoseconds, with typical RMS image width and length of ~0.2 x 1.0 degrees, and has a 9 degree field of view. The physical camera geometry is dictated by the telescope optics: a curved focal surface with radius of curvature 1m and diameter ~35cm is required. CHEC is designed to work with both the ASTRI and GATE SST-2M telescope structures and will include an internal LED flasher system for calibration. The first CHEC prototype will be based on multi-anode photomultipliers (MAPMs) and the second on silicon photomultipliers (SiPMs or MPPCs). The first prototype will soon be installed on the ASTRI SST-2M prototype structure on Mt. Etna.

研究の動機と目的

• Cherenkov Telescope Array の Small-Sized Telescopes (SST-2M) のためのコンパクトで高性能なカメラを開発し、非常に高エネルギーのガンマ線を感度よく検出可能にする。
• CTA の最終生産意思決定を支援するため、1つのカメラ設計内でマルチアンプフォトマルチプライヤー (MAPM) とシリコンフォトマルチプライヤー (SiPM) の2つのフォトセンサ技術を比較する。
• 密封された、保守可能なシステムとしての設計を実現し、長期間にわたり遠隔・高地環境で運用可能な、ナノ秒未塔のタイミング分解能と高いダイナミックレンジを達成する。
• 内部 LED フラッシュャーシステムおよび頑丈なメカニカル・サーマル設計により、キャリブレーションの安定性と信号の完全性を確保する。

提案手法

• カメラは、SST-2M テレスコープ光学系に適合させるために、1 m の曲率半径と35 cm の直径を有する曲面フォーカルプレーンを採用する。
• ノイズを最小限に抑えるために、フォトセンサに近い位置でプリアンプによる信号処理を実施し、その後64チャネルの TARGET ASIC モジュールによるデジタル変換を実施する。
• バックプレーンPCB を用いてクロックを配布し、トリガーを管理し、データを DACQ ボードにルーティングして外部伝送を実現する。
• 内部に設けたLEDフラッシュャーシステムが、二次鏡からの反射を介してフォーカルプレーンを照らし、フラットフィールドおよび線形性キャリブレーションを可能にする。
• サーマルマネジメントには、密封されたシステムに4台のファンと水冷ヒートシンクを組み合わせ、安定した動作温度を維持する。
• メカニカル設計により、モジュラーで取り外し可能なカメラユニットを実現し、ダストおよび湿気の侵入を防ぐ密封されたハウジングを実現することで、信頼性と保守性を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Cherenkov Telescope Array の SST-2M テレスコープが求める厳密なタイミングおよびダイナミックレンジ要件を満たすために、コンパクトで高エネルギーのカメラをどのように設計できるか？
• RQ2 タイミング分解能、ゲイン一様性、長期的安定性の観点から、マルチアンプフォトマルチプライヤー (MAPM) とシリコンフォトマルチプライヤー (SiPM) の間で性能のトレードオフは何か？
• RQ3 内部に設けたLEDフラッシュャーシステムは、9°の全視野角にわたって、正確で再現性のあるフラットフィールドおよび線形性キャリブレーションをどのように実現できるか？
• RQ4 過酷で遠隔に位置する観測環境で長期間にわたり信頼性と保守性を確保するためには、どのようなメカニカルおよびサーマル設計戦略が必要か？
• RQ5 トリガー系は、ナノ秒未塔のタイミングジッタと低電子ノイズを維持しながら、高いダイナミックレンジと低クロストークを実現するには、どのように設計すべきか？

主な発見

• H10966B MAPM を使用する CHEC-M プロトタイプは、ASTRI テレスコープではピクセルの角度サイズが約0.19°、GATE テレスコープでは0.17°を達成し、視野角全域でPSF (θ80) が6 mm未満である。
• カメラのトリガー系は、6–10 ns の一致ウィンドウを実現し、6 ns ウィンドウにおいて1 ns未塔の時間ジッタを達成するように設計されており、CTA が求める厳しいタイミング要件を満たしている。
• トリガー経路における電子ノイズは、ピクセル1つあたり0.5 mV rms 未満に抑えられ、4ピクセルの和についてピクセル間ゲイン差は25% rms 未塔に制限されている。
• カメラの内部LEDフラッシュャーシステムにより、0.1 フォトレーソン（pe）から1000 pe のダイナミックレンジにわたるキャリブレーションが可能となり、絶対的単一peキャリブレーションおよび飽和特性の評価が可能である。
• メカニカル設計により、カメラの容易な取り外しと保守が可能であり、ダストおよび湿気の侵入を防ぐための密封ハウジングと、水冷ヒートシンクを用いた空気循環システムが採用されている。
• 加速老化および環境試験（塩水ミスト、ヒールストーン衝撃、熱サイクリングなど）を計画し、量産前に設計上の欠陥を特定し、長期的な信頼性を確保する。