[論文レビュー] Performance of a small size telescope (SST-1M) camera for gamma-ray astronomy with the Cherenkov Telescope Array

I. Al Samarai, Cyril Martin Alispach+37 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2017

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、Cherenkov Telescope Array (CTA) のための小型望遠鏡カメラであるSST-1Mカメラの性能検証を、専用のテストセットアップ（CTS）を用いて行う。カメラは、シリコンフォトマルチプライヤー（SiPM）を用い、完全デジタルなトリガーおよびリードアウトシステム（Digicam）を備えており、平均ダークカウントレートが2.05±0.2 MHz/pixel、光学的クロストークが8%、時間分解能が176 psで安定した動作を達成している。夜空背景（NSB）レベルが変動する状況下でも、CTAのトリガー率および効率要件を満たしており、3〜660 MHz/pixelのNSB条件下でシミュレーションと3%以内の一致を示している。

ABSTRACT

The foreseen implementations of the Small Size Telescopes (SST) in CTA will provide unique insights into the highest energy gamma rays offering fundamental means to discover and under- stand the sources populating the Galaxy and our local neighborhood. Aiming at such a goal, the SST-1M is one of the three different implementations that are being prototyped and tested for CTA. SST-1M is a Davies-Cotton single mirror telescope equipped with a unique camera technology based on SiPMs with demonstrated advantages over classical photomultipliers in terms of duty-cycle. In this contribution, we describe the telescope components, the camera, and the trigger and readout system. The results of the commissioning of the camera using a dedicated test setup are then presented. The performances of the camera first prototype in terms of expected trigger rates and trigger efficiencies for different night-sky background conditions are presented, and the camera response is compared to end-to-end simulations.

研究の動機と目的

• Cherenkov Telescope Array (CTA) のためのSST-1Mカメラプロトタイプの性能検証を目的とし、ダークカウントレート、クロストーク、時間分解能といった主要パラメータに焦点を当てる。
• SiPMベースのカメラシステムが、高エネルギーガンマ線検出に求められる厳格な要件を満たしていることを示す。特に、変動する夜空背景（NSB）条件下でのトリガー効率および安定性に重点を置く。
• Cherenkovシャワー信号およびNSBを模擬する専用のテストセットアップ（CTS）を用いて、カメラのキャリブレーションおよびコンmissioningを実施し、応答およびダイナミックな挙動の正確な特徴付けを可能にする。
• 実際のコンmissioningデータとエンドツーエンドのシミュレーションを比較し、カメラの性能モデルの妥当性を検証するとともに、信号再構築およびトリガー意思決定の信頼性を保証する。
• カメラのトリガー系が、低信号レベル（ダーク条件下で1.4 PE/pixel）においても100%の高効率を維持し、ノイズおよび背景を抑制できることを確認する。これは、高NSB（660 MHz/pixel）条件下でも成立する。

提案手法

• SST-1Mカメラは、1296個のSiPMピクセルを108個のモジュールにグループ化した六角形のフォト検出平面（PDP）を採用しており、各モジュールにはプリアンプおよび温度安定化バイアス電圧制御用のスローモニタリングボード（SCB）が搭載されている。
• 完全デジタルリードアウトおよびトリガーシステム（Digicam）は、250 MHzで信号を12ビットFADCでデジタル化し、FPGAでデータ処理を行い、トリガー決定後に10 Gbpsのファイバーリンクを介してフル解像度のデータを送信する。
• カメラは、ガンマ線シャワー信号および夜空背景（NSB）を模擬するためのパulsed（AC）および連続（DC）LEDを備えたカスタムテストセットアップ（CTS）を用いてコンmissioningが行われる。
• キャリブレーションは、ダークおよびライト条件下での単一光電子（SPE）および複数光電子（MPE）スペクトルを用い、ゲイン（5.6 LSB/PE）、ダークカウントレート、クロストーク確率を抽出する。
• 時間分解能は、21個の隣接ピクセルを同時にフラッシュし、パルステンプレートをフィッティングすることで、1ナノ秒未満の精度で光子到着時刻を再構築することで測定される。
• トリガーのコンmissioningには、ピクセルのクラスタに光を注入し、しきい値を変化させ、さまざまなNSBレベルにおけるトリガー率および効率を測定することで、性能および安定性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 制御された条件下で、SiPMベースのSST-1Mカメラのダークカウントレートおよび光学的クロストークはどの程度か？
• RQ2 温度および信号注入の変動に伴い、1296ピクセルにわたるカメラの時間分解能および信号同期性はどの程度安定しているか？
• RQ3 さまざまな夜空背景（NSB）レベルにおけるSST-1Mカメラのトリガー効率は何か？ また、シミュレーション予測と比較するとどうなるか？
• RQ4 測定されたトリガー率およびバイアス曲線（bias curves）は、独立したエンドツーエンドのシミュレーションで予測された値とどの程度一致するか？
• RQ5 高NSB条件下（例：660 MHz/pixel）でも、カメラは500 Hzの安定したトリガー率を維持できるか？ これを達成するにはどの信号しきい値が必要か？

主な発見

• SST-1Mカメラの平均ダークカウントレートは2.05±0.2 MHz/pixelで測定され、光学的クロストーク確率が8%であることが確認され、ダーク条件下でのSiPMの安定した動作が裏付けられた。
• 21個の隣接ピクセルにおいて、相対的時間分解能が0.25 ns（絶対的時間分解能176 ps）を達成しており、信号パス遅延が最小限に抑えられ、優れた同期性が確認された。
• ダーク条件下（NSB約40 MHz/pixel）で、クラスタ内30 PEの信号しきい値において、500 Hzのトリガー率を維持しており、これは平均で1.4 PE/pixelに相当する。
• ダーク条件下で1.4 PE/pixelの信号レベルにおいてトリガー効率が100%に達し、NSBレベルが3〜660 MHz/pixelの範囲で平均3 PE/pixelの信号レベルでも安定しており、変動は2.14 PE/pixel未満であった。
• 独立したパイプライン（トイモンテカルロおよびCARE）に基づくシミュレーションは、全NSBレベルで測定されたADC分布およびバイアス曲線を3%以内の一致で再現した。
• 測定されたトリガー率対しきい値曲線（バイアス曲線）は、シミュレーションと非常に良好に一致しており、SiPM応答からトリガー意思決定までの一連のプロセスが、全テスト条件下で正当化された。