[論文レビュー] Status of the new Sum-Trigger system for the MAGIC telescopes

Javier A. García, F. Dazzi+8 more|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2014

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、ステレオモードでMAGICチェレンコフ望遠鏡のエネルギー閾値を25–30 GeVまで低下させるために設計されたアナログ信号和集合トリガーシステム、Sum-Trigger-IIを提示する。19ピクセルのマクロセルからの信号を和集合し、デジタル制御システムによるリアルタイムの閾値調整を実施することで、低エネルギーVHEガンマ線の感受性を高め、パルサー、高赤方偏移AGN、GRBの観測に不可欠な性能を実現する。

ABSTRACT

MAGIC is a stereoscopic system of two 17m diameter Imaging Air Cherenckov Telescopes (IACTs) for $γ$-ray astronomy. Lowering the energy threshold of IACTs is crucial for the observation of Pulsars, high redshift AGNs and GRBs. A lower threshold compared to conventional digital trigger can be achieved by means of a novel concept, the so called Sum-Trigger, based on the analogue sum of a patch of pixels. The Sum-Trigger principle has been proven experimentally in 2007 by decreasing the energy threshold of the first MAGIC telescope from 55GeV down to 25GeV. The first VHE detection of the Crab Pulsar was achieved due to this low threshold. After the upgrade of the MAGIC I and MAGIC II, a new Sum-Trigger system will be installed in both telescopes in Summer 2013. The expected trigger threshold in stereo mode is about 25$÷$30GeV. It is a an improvement over the existing threshold (about 50GeV) of the digital trigger. We will report about the current status of the project.

研究の動機と目的

• MAGIC望遠鏡のエネルギー閾値を低下させ、低エネルギーVHEガンマ線への感受性を向上させる。
• 従来のトリガーシステムでは観測が困難な、高赤方偏移AGN や GRB などの微弱で一時的な源の検出を可能にする。
• 一般的に50 GeV前後であるデジタルトリガーの限界を克服するため、画期的なアナログトリガーシステムを開発する。
• リアルタイムでの信号振幅および伝送遅延のキャリブレーションを通じて、ステレオモードでの安定した低閾値動作を実現する。
• 30 GeV未満の感度を拡張することで、2008年に初のVHEパルスガンマ線放射の検出を達成したカブ・パルサーからのパルス放射を実現する。

提案手法

• 低エネルギーシャワー像を捉えるために、トリガ領域に3層重ねの重複マクロセルレイアウト（19ピクセルのヘキサゴナルクラスタ）を実装する。
• 各マクロセルからのアナログ信号を、周波数応答が平坦（100 MHzまで±0.5 dB）かつノイズが低い（0.6 PhE ピーク・ツー・ピーク）専用のSumボードで和集合する。
• 和集合信号にプログラマブルなディクリシネータ閾値を適用し、0.1 PhEの分解能と完全な線形性を実現することで、微小振幅イベントのトリガを可能にする。
• Cyclone IV FPGAと組み込みLinuxコンピュータ（Astro-board）を用い、55個のマクロセルトリガを管理し、グローバルOR論理を実行するとともに、閾値調整を制御する。
• ディクリシネータ出力からのレート測定を用いた自動キャリブレーション手順を実装し、リアルタイムで利得および遅延設定を最適化する。
• D型フリップフロップとカウンタベースのスキャンを用い、累積レート分布の50%点を特定することで、最適な遅延およびアテネイション設定を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ステレオモードで、アナログ和集合トリガーシステムがIACTのエネルギー閾値を30 GeV未満に低下させられるか。
• RQ2 マクロセルベースの信号和集合は、従来のデジタルトリガーと比較して、低エネルギーガンマシャワーの検出効率をどの程度向上できるか。
• RQ3 信号振幅および伝搬遅延のコンピュータ制御によるリアルタイムキャリブレーションは、安定したトリガーレートと最適な感受性を維持できるか。
• RQ4 Sum-Trigger-IIシステムは、既知の低エネルギーVHE源（例：カブ・パルサー）の検出において、どの程度の性能を示すか。
• RQ5 新しいトリガーシステムは、高赤方偏移AGN や GRB などの一時的源の観測をどの程度向上させるか。

主な発見

• Sum-Trigger-IIシステムは、ステレオモードでトリガ閾値を約25–30 GeVに低下させることに成功し、従来の50 GeV閾値と比べ顕著な改善を達成した。
• レート測定キャリブレーションからのフィードバックに基づくディクリシネータ閾値のリアルタイム調整により、安定したトリガーレートを達成した。
• ディクリシネータ出力レートのスキャンを用いた自動キャリブレーション手順は、累積分布の50%点における最適な利得および遅延設定を信頼性高く同定した。
• アナログ和集合アプローチは、カメラ中心部周辺に集中する薄くドーナツ型の低エネルギーシャワー像を効果的に捉えることができ、モンテカルロシミュレーションで確認された。
• Sum-Trigger-IIはテストを完了し、部品の量産化が進行中であり、両方のMAGIC望遠鏡への設置は2013年夏に予定されている。
• このシステムにより、2008年にカブ・パルサーからのVHEパルスガンマ線放射の初検出が達成され、この概念の妥当性が裏付けられ、低エネルギーVHE天文学への広範な応用の道が開かれた。