[論文レビュー] Focal Plane Instrumentation of VERITAS

VERITAS Collaboration, T. Nagai+3 more|ArXiv.org|Sep 28, 2007

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 3被引用数 10

ひとこと要約

この論文は、アリゾナ州南部に位置する4台の望遠鏡からなる大気チェレンコフ望遠鏡アレイVERITASの焦点面装置の設計および性能を詳述している。499個の高分解能PMTピクセル、光集光器、リアルタイム電流モニタリング、および電荷注入システムを装備することで、単一光電子分解能を達成し、昼間のキャリブレーションを可能にし、100 GeVを超える非常に高エネルギーガンマ線の検出感度と信頼性を著しく向上させた。

ABSTRACT

VERITAS is a new atmospheric Cherenkov imaging telescope array to detect very high energy gamma rays above 100 GeV. The array is located in southern Arizona, USA, at an altitude of 1268m above sea level. The array consists of four 12-m telescopes of Davies-Cotton design and structurally resembling the Whipple 10-m telescope. The four focal plane instruments are equipped with high-resolution (499 pixels) fast photo-multiplier-tube (PMT) cameras covering a 3.5 degree field of view with 0.15 degree pixel separation. Light concentrators reduce the dead-space between PMTs to 25% and shield the PMTs from ambient light. The PMTs are connected to high-speed preamplifiers allowing operation at modest anode current and giving good single photoelectron peaks in situ. Electronics in the focus box provides real-time monitoring of the anode currents for each pixel and ambient environmental conditions. A charge injection subsystem installed in the focus box allows daytime testing of the trigger and data acquisition system by injecting pulses of variable amplitude and length directly into the photomultiplier preamplifiers. A brief description of the full VERITAS focal plane instrument is given in this paper.

研究の動機と目的

• 非常に高エネルギーガンマ線への感度を向上させるために、VERITASチェレンコフ望遠鏡アレイ用の高分解能・低ノイズ焦点面装置を開発すること。
• 成形された光集光器と高反射率コーティングを用いて、PMTピクセル間のデッドスペースを最小限に抑え、バックグラウンド光干渉を低減すること。
• 一時的な光源による損傷を防ぎ、長期的な性能を追跡するため、PMTアノード電流のリアルタイムモニタリングを可能にすること。
• プログラマブルな電荷注入サブシステムを用いて、データ取得システム全体の昼間キャリブレーションを可能にすること。
• 正確なエネルギーおよびシャワー再構築を実現するため、運用条件下で単一光電子分解能を達成すること。

提案手法

• 320 nmで約25%の量子効率を示し、約2×10⁵の増幅率を持つ10段階増幅の499個のPhotonis XP2970/02 PMTを用いる。
• PMTベースにカスタムプリアンプを採用し、140フィートのRG-59同軸ケーブルを介して信号を送信する前に、300 MHz帯域幅で信号を増幅する。
• 16台のFPGA制御ボード（各32チャンネル）で構成されるファイバーオプティカルリンク式電流モニタリングサブシステムを統合し、50 MHzでサンプリングし、1カウントあたり0.5 µAの分解能を達成する。
• 1ナノ秒から10ミリ秒のパルスを発生可能で、85 dBのアーリアムプルスジェネレータ（PPG）を備えた電荷注入サブシステムを導入する。
• 499個のアルミコーティングされたプラスチックコーン（260 nm以上で85%の反射率）を備えた成形デルリンプレートを用いて、幾何的光集光効率を55%から75%に向上させる。
• カメラの正確な焦点面アライメントと傾き調整を可能にするヘキサポッド構造を採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 夜空背景が存在する中で、VERITAS焦点面における信号対ノイズ比を最大化し、単一光電子を検出可能にするにはどうすればよいか？
• RQ2 PMTピクセル間のデッドスペースを最小限に抑え、バックグラウンド光を低減しながらも高い量子効率を維持するには、どのような設計特徴が必要か？
• RQ3 PMTアノード電流のリアルタイムモニタリングは、どのようにして一時的光源による損傷を防ぎ、長期的な運用安定性を確保できるか？
• RQ4 電荷注入システムは、データ取得チェーン全体の信頼性のある昼間テストおよびキャリブレーションをどの程度可能にするか？
• RQ5 ハイブリッドコーン設計では、実現可能な光集光効率はどの程度か？また、標準的な平板型構成と比較してどう異なるか？

主な発見

• 増幅率を3倍にした場合、ピーク振幅が180デジタルカウントに達し、正確なキャリブレーションが可能になる単一光電子分解能を達成した。
• 電流モニタリングサブシステムは、0〜127 µAのダイナミックレンジでリアルタイムのアノード電流モニタリングを実現し、1デジタルカウントあたり0.5 µAの分解能を有する。
• 光集光器システムは、最適化されたコーンジオメトリと高反射率コーティングを用いて、幾何的光集光効率を55%から75%に向上させた。
• 電荷注入サブシステムは、調整可能な振幅（85 dBレンジ）とパルス幅（1ナノ秒〜10ミリ秒）を備えた実際のチェレンコフパルスを模倣でき、日中のフルシステムテストを可能にした。
• 機械的および電気的最適化後、設置済みPMTピクセルの99%以上が正常に機能しており、高いシステム信頼性を確保した。
• プリアンプシステムにより、高電圧を低減して運用可能となり、月が一部しか見えない夜間でもPMT損傷のない安全な運用が可能になった。