[論文レビュー] Introducing TAXI: a Transportable Array for eXtremely large area Instrumentation studies

T. Karg, A. Haungs+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2014

Meteorological Phenomena and Simulations参考文献 6被引用数 4

ひとこと要約

TAXIは、遠隔で過酷な環境に位置する大面積の宇宙線素粒子物理学実験機器のテストを目的としたモジュラーで持ち運び可能な4駅構成のアレイを導入する。各駅には1 m²のシンチレーション検出器を3台使用し、空気シャワーのトリガーにナノ秒級のタイミングを実現する。また、無線アンテナなどのカスタマイズ可能なセンサーを統合可能であり、最初の駅はDESYのツートン施設に正常に設置され、安定した1 Hzのグローバルトリガー率と1 nsのタイミング分解能を達成した。

ABSTRACT

A common challenge in many experiments in high-energy astroparticle physics is the need for sparse instrumentation in areas of 100 km2 and above, often in remote and harsh environments. All these arrays have similar requirements for read-out and communication, power generation and distribution, and synchronization. Within the TAXI project we are developing a transportable, modular four-station test-array that allows us to study different approaches to solve the aforementioned problems in the laboratory and in the field. Well-defined interfaces will provide easy interchange of the components to be tested and easy transport and setup will allow in-situ testing at different sites. Every station consists of three well-understood 1 m2 scintillation detectors with nanosecond time resolution, which provide an air shower trigger. An additional sensor, currently a radio antenna for air shower detection in the 100 MHz band, is connected for testing and calibration purposes. We introduce the TAXI project and report the status and performance of the first TAXI station deployed at the Zeuthen site of DESY.

研究の動機と目的

• 大面積の高エネルギー宇宙線素粒子物理学実験における共通のインfra構築課題（電源、通信、同期）に対処すること。
• 特にセンサー、電源システム、データ通信の分野における新技術の部品を、現実的な現場環境下で現地でテスト可能にする。
• 将来の大規模検出器の候補地において、長期にわたるバックグラウンド測定や信号伝播特性の研究を促進すること。
• 交換可能なセンサーと標準化されたインターフェースを備えた、モジュラーで低消費電力かつ持ち運び可能なプラットフォームを構築し、迅速な設置とテストを可能にすること。
• 将来の10,000 km²を超える面積をカバーする実験に備え、本格的導入の前に主要サブシステムを現場で検証すること。

提案手法

• DESYツートン施設にTAXIプロトタイプ駅を設置し、50×50 cm²のセグメントに分割された3台の1 m²のセグメント化シンチレーター板を、PMTによる一致検出でノイズ抑制を実現する。
• TDCを用いた1 nsの時間分解能と、キャリブレーション用の電荷に敏感なADCを備えたVMEベースのDAQシステムを採用。シールド付き twisted-pair ケーブルを介し、Raspberry PiにUSBベースでデータを読み取る。
• 少なくとも1つのシンチレーター板でトリガーが発生した場合に、400 nsの時間窓内で3台の板のうち少なくとも1台がトリガーを発生させることで、グローバルイベントトリガーを生成する、独自開発のFPGAベースのトリガーボードを統合。
• 180 MHzのサンプリングレートを持つ波形デジタイザ（AERAボード）を、無線アンテナ（SALLA）に接続し、トリガー時刻の周囲11.4 μs分のデータを記録することで、無線シャワー検出を実現。
• 気象観測用の商用ウェザーステーションと内部の温度・湿度センサーを用いて環境モニタリングを実施。同期にはGPSタイムスタンプを採用。
• 太陽光発電や風力発電システムを含めた、モジュラーな部品交換が可能な標準化された電源および通信インターフェースを設計。これにより、現場での自律運転が可能となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 遠隔で過酷な環境に位置する大面積検出器部品の現地適合性を検証できる、モジュラーで持ち運び可能なテストアレイをどのように設計できるか？
• RQ2 1 m²のシンチレーターに基づくトリガー系が、実際の現場環境下で1 nsの時間分解能を達成できるか？
• RQ3 FPGAベースのトリガーと波形デジタイゼーションを備えた低消費電力で自律的なデータ取得システムが、現場で再生可能エネルギー源によって効果的に駆動できるか？
• RQ4 建物の影による影響などの環境要因が、コンactな都市型レイアウトの駅で空気シャワーの方向再構築に与える影響はどの程度か？
• RQ5 標準化されたインターフェースが、1つのモジュラープラットフォーム上で多様なセンサー（無線、ミューオン、音響など）の迅速な交換とテストをどの程度可能にするか？

主な発見

• 最初のTAXI駅はDESYツートン施設に正常に設置され、1年以上にわたり問題なく安定稼働している。
• シンチレーション検出器システムは、約1分間に1件のグローバルトリガー率を達成しており、これはPMTの一致による1セグメントあたり40 Hzの閾値設定に対応している。
• 3台のシンチレーター板間の飛行時間差を用いた空気シャワー方向再構築では、垂直シャワーに対して一貫した結果が得られており、局所的な環境的影による影響で90°および270°の方位角でずれが生じている。
• TDCベースの時間測定により1 nsの時間分解能を達成しており、正確なイベントタイムスタンプと方向再構築が可能である。
• 現在のDAQシステムの消費電力は非常に低く、太陽光パネルや風力発電機で十分に供給可能である。今後のシングルボードDAQでは、波形記録を無効にした場合、消費電力は10 W未満に抑えられる見込みである。
• 標準化されたインターフェースを備えたモジュラー設計により、電源システムや通信モジュールなどの部品交換が容易になり、現場での新技術の柔軟なテストが可能となった。