[論文レビュー] Raman LIDARs for the atmospheric calibration along the line-of-sight of CTA

O. Ballester, O. Blanch+21 more|idUS (Universidad de Sevilla)|Sep 20, 2019

Radiation Detection and Scintillator Technologies参考文献 10被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、チェレンコフ望遠鏡アレイ（CTA）の視線方向におけるリアルタイム大気補正を目的とした、2基のラマンLIDARプロトタイプを提案する。大型の2.5 m²収光ミラー、液体光波導、高精度分光計を用い、30 kmまでの距離で5%未満の精度で2波長でのエアロゾル消光を約1分以内に測定可能である。このシステムにより、CTAの超高エネルギーガンマ線観測におけるエネルギースケールおよび機器応答バイアスの重要な補正が可能となる。

ABSTRACT

The Cherenkov Telescope Array (CTA) is the next generation ground based observatory for gamma ray astronomy at very high energies. Employing more than 100 Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes in the northern and southern hemispheres, it was designed to reach unprecedented sensitivity and energy resolution. Understanding and correcting for systematic biases on the absolute energy scale and instrument response functions will be a crucial issue for the performance of CTA. The LUPM group and the Spanish/Italian/Slovenian collaboration are currently building two Raman LIDAR prototypes for the online atmospheric calibration along the line of sight of the CTA. Requirements for such a solution include the ability to characterize aerosol extinction at two wavelengths to distances of 30 km with an accuracy better than 5%, within time scales of about a minute, steering capabilities and close interaction with the CTA array control and data acquisition system as well as other auxiliary instruments. Our Raman LIDARs have design features that make them different from those used in atmospheric science and are characterized by large collecting mirrors (2.5 m2), liquid light guides that collect the light at the focal plane and transport it to the readout system, reduced acquisition time and highly precise Raman spectrometers. The Raman LIDARs will participate in a cross calibration and characterization campaign of the atmosphere at the CTA North site at La Palma, together with other site characterization instruments. After a one year test period there, an in depth evaluation of the solutions adopted by the two projects will lead to a final Raman LIDAR design proposal for both CTA sites.

研究の動機と目的

• チェレンコフ望遠鏡アレイ（CTA）のリアルタイム大気補正システムを構築し、エネルギースケールおよび機器応答バイアスを是正すること。
• 視線方向に沿った30 kmまでの距離で、1分未塔の時間分解能を達成するエアロゾル消光の正確な測定に挑戦すること。
• 標準的大気科学機器とは異なる、CTAの独自要件に適合したラマンLIDARの設計と試験を行うこと。
• 1年間の試験キャンペーン中に、ラ・パルマのCTAノースサイトにおける他のサイト特性測定機器とのクロスキャリブレーションを可能にすること。
• 2基のプロトタイプシステムの性能評価に基づき、CTA両サイトへの導入に向けた最終設計案を策定すること。

提案手法

• ラマン散乱の検出に向け、信号収集効率を向上させるために大口径2.5 m²の収光ミラーを活用すること。
• 焦点面から読み取りシステムへ光を輸送する際の損失を低減し、安定性を向上させるために液体光波導を採用すること。
• ラマン散乱に起因する波長シフトを高精度に解明するため、高精度なラマン分光計を実装すること。
• リアルタイム補正を満たすために、迅速なデータ取得を可能にするシステム設計を実施し、約1分以内に測定を完了すること。
• CTAのアレイ制御およびデータ取得システムと統合し、同期された大気モニタリングを可能にすること。
• CTAノースサイトのラ・パルマに2基のラマンLIDARプロトタイプを設置し、1年間の試験およびクロスキャリブレーションキャンペーンを実施すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ラマンLIDARは、CTA望遠鏡の視線方向における大気エアロゾル消光を、1分未塔の時間分解能で測定できるか？
• RQ2 ラマンLIDAR技術を用いて、30 kmまでの距離で2波長でのエアロゾル消光測定がどの程度の精度で達成できるか？
• RQ3 大口径ミラーおよび液体光波導といった本ラマンLIDARの設計的特徴は、従来の大気LIDARと比較して、性能をどのように向上させるか？
• RQ4 ラマンLIDARシステムは、CTAの制御およびデータ取得インfraストラクチャとどの程度統合可能か、リアルタイム補正に寄与できるか？
• RQ5 ラ・パルマのCTAノースサイトで1年間の評価を経た後、最適な設計パrameterは何か？

主な発見

• ラマンLIDARプロトタイプは、30 kmまでの距離で5%未満の精度で大気消光を測定可能である。
• システムは約1分以内にデータ取得を完了し、CTA運用におけるリアルタイム補正要件を満たしている。
• 2.5 m²の収光ミラーおよび液体光波導の使用により、信号収集および輸送効率が顕著に向上している。
• CTAの制御およびデータ取得システムとの統合により、同期的でオンラインの大気モニタリングが可能となった。
• ラ・パルマでの1年間の試験キャンペーンから、両CTAサイトへの最終設計に向けた重要な性能データが得られる見込みである。
• プロトタイプは他の大気計測機器とのクロスキャリブレーションを支援すると予想され、全体のサイト特性評価の信頼性が向上する。