[論文レビュー] Energy response of GECAM Gamma-Ray Detector (GRD) prototype

Dali Zhang, Xinqiao Li+8 more|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2018

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 15被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、GECAMミッションのためのガンマ線検出器（GRD）プロトタイプのエネルギー応答を評価している。このプロトタイプは、LaBr3:Ceシンチレーター、SiPMアレイ、二重利得プリアンプを用い、6 keV〜5 MeVのガンマ線を検出する。プロトタイプは662 keVで5.3%（FWHM）のエネルギー分解能を達成し、ミッションの要件である8%未満を満たしており、放射性核種とGeant4シミュレーションを用いた正確なエネルギーキャリブレーションを示している。

ABSTRACT

The Gravitational wave high-energy Electromagnetic Counterpart All-sky Monitor (GECAM) , composed of two small satellites, is a new mission to monitor the Gamma-Ray Bursts (GRBs) coincident with gravitational wave events with a FOV of 100% all-sky. GECAM detects and localizes 6 keV-5 MeV GRBs via 25 compact and novel Gamma-Ray Detectors (GRDs). Each GRD module is comprised of a LaBr3:Ce scintillator, SiPM array and preamplifier. A large dynamic range is achieved by the high gain and low gain channels of the preamplifier. This article discusses the performance of a GRD prototype which includes a set of radioactive sources in the range of 5.9-1332.5 keV. The energy resolution and energy to ADC channel conversion of the GRD module are also discussed. The typical energy resolution is 5.3% at 662 keV (FWHM) which meets the relevant requirements (< 8% at 662 keV). The energy calibration capability is evaluated by the measured intrinsic activity of LaBr3:Ce and Geant4 simulation results. The test results demonstrate the feasibility of the GECAM GRD design.

研究の動機と目的

• 宇宙用ガンマ線バーストモニタリングを目的としたGECAMガンマ線検出器（GRD）プロトタイプのエネルギー応答性能を評価すること。
• GRDプロトタイプが662 keV（FWHM）における8%未満というエネルギー分解能要件を満たしていることを検証すること。
• LaBr3:Ceの固有活動とGeant4シミュレーション結果を用いてエネルギー応答をキャリブレーションすること。
• GRD設計が重力波イベントと一致する全天空ガンマ線バーストモニタリングに実現可能であることを示すこと。

提案手法

• GRDプロトタイプは、ガンマ線検出のためのLaBr3:CeシンチレーターとSiPMアレイを組み合わせている。
• 二重利得プリアンプ回路により、高利得および低利得チャンネルの切り替えによって広いダイナミックレンジを実現している。
• エネルギー応答を特徴付けるために、5.9〜1332.5 keVの範囲をカバーする放射性核種を用いてエネルギーキャリブレーションを実施している。
• 性能評価のため、662 keV（137Csからの放射線）を含む主要なガンマ線線でのエネルギー分解能を測定している。
• Geant4シミュレーションを用いて検出器応答をモデル化し、固有活動測定値の妥当性を検証している。
• キャリブレーションデータとシミュレーション結果から、エネルギーからADCチャンネルへの変換関係を導出している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GRDプロトタイプは、ガンマ線検出にあたり662 keV（FWHM）における8%未満という要件を満たしているか？
• RQ2 固有活動とGeant4シミュレーションを用いたGRDプロトタイプのエネルギーキャリブレーションはどの程度正確か？
• RQ3 二重利得プリアンプ設計は、6 keV〜5 MeVのエネルギー範囲において広いダイナミックレンジをどの程度実現できるか？
• RQ4 測定されたエネルギー分解能と応答は、実験データとシミュレーションの両方で妥当性を確認できるか？

主な発見

• GRDプロトタイプは662 keVで5.3%（FWHM）のエネルギー分解能を達成しており、ミッション要件の8%未満を満たしている。
• LaBr3:Ceシンチレーターの測定済み固有活動とGeant4シミュレーションの結果が一貫しており、エネルギーキャリブレーションが妥当であることが検証された。
• 二重利得プリアンプ設計により、6 keV〜5 MeVのエネルギースペクトル全域で広いダイナミックレンジが実現された。
• 放射性キャリブレーション源とシミュレーションデータを用いて、エネルギーからADCチャンネルへの変換が正確に確立された。
• 5.9〜1332.5 keVのテストエネルギー範囲において、プロトタイプは安定的かつ再現可能なエネルギー応答を示した。
• 全体的な性能から、GRD設計がGECAMミッションの全天空ガンマ線バーストモニタリングに実現可能であることが確認された。