[論文レビュー] Photodetection Aspects of JEM-EUSO and Studies of the Ultra-High Energy Cosmic Ray Sky

C. Blaksley|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2014

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 5被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、大気フラーレンスセンシングを用いて超高エネルギー宇宙線（UHECR）を検出することを目的とした宇宙空間に設置される予定の観測施設JEM-EUSOの光検出システムおよびキャリブレーション技術を提示する。単一光電子カウントとキャリブレーション済みのHamamatsu PMTを用い、新規の低不確実性キャリブレーション手法を採用することで、PMT効率の不確実性を約3%にまで低減し、広範な大気シャワーの宇宙からの観測によるUHECRのエネルギー測定を高精度で実現した。

ABSTRACT

In this thesis, an introduction to the Ultra-High Energy Cosmic Ray (UHECR) field is given, including air shower physics, UHECR astrophysics, and experimental techniques. The current questions in UHECR physics are mentioned, along with the experimental challenges encountered in the field. The physics of air fluorescence is also presented, and the JEM-EUSO experiment is introduced in detail. The original contributions in this thesis are divided into experimental work on photodetection aspects of JEM-EUSO and phenomenological studies of UHECR composition and source statistics. A comprehensive introduction to photomultiplier tubes (PMTs) and single photoelectron counting are given, and the measurement of PMT efficiency with an uncertainty of a few percent is discussed in detail. An experimental setup for measuring the air fluorescence yield is also introduced, and tests of the EUSO-Balloon high voltage power supply prototype are presented. A setup for sorting the JEM-EUSO PMTs is developed, including the assembly and calibration of data acquisition hardware and the development of acquisition and analysis software. This system is used to perform an absolute calibration of the EUSO-Balloon focal surface, along with measurements of the PMT pixel width and dead-space. In the phenomenological part of this work, it is shown that a distribution of source maximum energies must be considered in order to understand the energy spectrum and the composition of UHECRs. The number of sources which can be expected to contribute to the UHECR sky is also studied, finding that on the order of 1 source(s) contributes more than 50% of the flux at 100 EeV.

研究の動機と目的

• 宇宙空間に設置されるUHECR観測施設JEM-EUSOのための高精度な光検出システムを開発し、超高エネルギー宇宙線のエネルギー再構築を正確に行えるようにすること。
• NISTフォトダイオードと統合スフィアを用いた絶対キャリブレーション技術により、フォトマルチプライヤー管（PMT）効率のキャリブレーション不確実性を約10%から約3%に低減すること。
• 低消費電力で高速スイッチングが可能な、動的レンジ制御に適した高電圧Cockcroft-Walton電源を設計・試験すること。
• 137個の光検出モジュールにわたる均一性を確保するため、単一光電子ゲインおよび効率測定に基づくPMTの分類手順を実装すること。
• EUSO-Balloonパスファイナムミッションを用いてキャリブレーションおよびシステム性能を検証し、JEM-EUSOの設計の実現可能性を裏付けること。

提案手法

• 3%未満の不確実性でハマムツ・R11265-M64マルチアンードPMTの絶対量子効率を測定するために、統合スフィアとキャリブレーション済みNISTフォトダイオードを用いた二光束法を採用した。
• PMTキャリブレーションのための狭く安定した光ビームを定義するために、3 mmのデイアパグラムおよび2つの精密コリメーター（0.3 mmの出口ピンホール、23.5 mmおよび64 mmの長さ）を用いた。
• 3段階のラダー回路を有するCockcroft-Walton高電圧電源（HVPS）を設計・試験し、エレメントセル（EC）ごとに可変ゲインを実現するとともに、低消費電力化を達成した。
• PMTの光側に高速スイッチング回路（マイクロ秒心応）を実装し、大気光信号の10^6のダイナミックレンジをカバーできるようにした。
• ピクセル間のゲイン差（最大20%）およびEC間の差（最大4倍）を補正するため、独自のASICとプリアンプを統合し、焦点面全体での均一応答を確保した。
• 1つの光電子応答に基づいて5,000個以上のPMTを測定・分類するデータ取得システムを構築し、EC組立に適したゲインと効率が一致するPMTの選別を可能にした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 JEM-EUSOに使用されるマルチアンードPMTの絶対効率を3%未満の不確実性で測定できるか？
• RQ2 大気フラーレンス信号の強度変動（10^6）を扱えるように、PMTのダイナミックレンジをどのように拡張できるか？
• RQ3 低消費電力で高速ゲイン制御が可能な、宇宙空間運用に適した高電圧電源の最適設計は何か？
• RQ4 ピクセルごとおよびECごとに均一化できるほど、PMTゲインおよび効率を十分な精度で測定できるか？
• RQ5 EUSO-Balloonパスファイナムミッションを用いて、国際宇宙ステーションへの運用前にキャリブレーションシステムをどのように検証できるか？

主な発見

• 絶対PMT効率キャリブレーションの不確実性は約3%に達し、従来手法の典型的な約10%の不確実性を著しく上回った。
• 統合スフィアとNISTトレーサブルフォトダイオードの併用により、紫外線スペクトル全域で安定的かつ繰り返し可能な絶対的PMT量子効率キャリブレーションが可能となった。
• Cockcroft-Walton HVPSプロトタイプは、安定した低消費電力動作を示し、マイクロ秒応答の高速スイッチングにより、10^6の強度範囲にわたるPMTゲインの動的制御が可能であった。
• EUSO-Balloon HVPSプロトタイプの初期試験はCNESのフェーズBレビューに合格し、宇宙飛行用としての設計の妥当性が裏付けられた。
• PMT分類手順により、不良チューブが正常に特定・除外され、ゲインと効率が一致するPMTを用いたEC組立が可能となり、焦点面全体の非均一性が最小限に抑えられた。
• キャリブレーション装置は、大気フラーレンス発光収率の測定に成功し、2つのPMTからの初期結果は一貫性があり再現可能であった。