[論文レビュー] Status of the Silicon Photomultiplier Telescope FAMOUS for the Fluorescence Detection of UHECRs

T. Niggemann, P. Assis+14 more|arXiv (Cornell University)|Feb 3, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 7

ひとこと要約

本論文では、従来のフォトマルチプライヤー管の代わりにシリコンフォトマルチプライヤー（SiPM）を用いた、超高エネルギー宇宙線（UHECR）検出を目的としたFAMOUSというプロトタイプ蛍光望遠鏡を提案する。望遠鏡は549.7 mmのフレネルレンズと、ウィンストンコーン光集光器を備えた64個のSiPM画素を用い、10^18 eVのシャワーが6 kmまでの距離で100%の検出効率を達成することをGeant4シミュレーションで検証した。これにより、次世代のUHECR機器におけるSiPMの実用可能性が示された。

ABSTRACT

An established technique for the measurement of ultra-high-energy-cosmic-rays is the detection of the fluorescence light induced in the atmosphere of the Earth, by means of telescopes equipped with photomultiplier tubes. Silicon photomultipliers (SiPMs) promise an increase in the photon detection efficiency which outperforms conventional photomultiplier tubes. In combination with their compact package, a moderate bias voltage of several ten volt and single photon resolution, the use of SiPMs can improve the energy and spatial resolution of air fluorescence measurements, and lead to a gain in information on the primary particle. Though, drawbacks like a high dark-noise-rate and a strong temperature dependency have to be managed. FAMOUS is a refracting telescope prototype instrumented with 64 SiPMs of which the main optical element is a Fresnel lens of 549.7 mm diameter and 502.1 mm focal length. The sensitive area of the SiPMs is increased by a special light collection system consisting of Winston cones. The total field of view of the telescope is approximately 12 $^\\circ$. The frontend electronics automatically compensates for the temperature dependency of the SiPMs and will provide trigger information for the readout. Already for this prototype, the Geant4 detector simulation indicates full detection efficiency of extensive air showers of $E=10^{18}\\,\ ext{eV}$ up to a distance of 6 km. We present the first working version of FAMOUS with a focal plane prototype providing seven active pixels.

研究の動機と目的

• シリコンフォトマルチプライヤー（SiPM）が超高エネルギー宇宙線（UHECR）検出用の蛍光望遠鏡に実用可能であることを実証すること。
• SiPMの高い光子検出効率、小型化、1光子分解能の利点を活かして、従来のフォトマルチプライヤー管の限界を克服すること。
• SiPMベースの蛍光望遠鏡用に、スケーラブルで低ノイズ、温度安定化されたフロントエンド電子回路システムを開発すること。
• Geant4およびCONEXシミュレーションを用いてFAMOUSプロトタイプの性能を検証し、大規模空気シャワーのトリガ効率を評価すること。
• 最初の7画素版（FAMOUS^SEVEN）をテストし、64画素実装への準備を進めること。

提案手法

• 望遠鏡は、549.7 mmの直径と502.1 mmの焦点距離を持つフレネルレンズを用い、蛍光光を64個のSiPM画素に集光する。
• 各SiPM画素は、100 µmのセルピッチを有する4つの3×3 mm²の浜松S10362-33-100C SiPMアレイであり、光集光器により感光面積を拡大する。
• ウィンストンコーン集光器は、6.71 mmの入射口半径と3 mmの出射口半径を有し、最大26.6°の入射角まで90%以上の透過効率を達成する。
• フロントエンド電子回路には、SiPMゲインの自動温度補償と、トリガ生成用のプログラマブルFPGAが組み込まれている。
• 検出器応答は、CONEXからの空気シャワー入力と組み合わせてGeant4を用いてシミュレーションされ、光子発生量、伝搬、検出効率がモデル化されている。
• 信号の特徴付けは、400 nmのパルスLED照射（20 nsパルス）と、電荷-デジタル変換（QDC）を用いてゲインのキャリブレーションおよび光子相当ピークの解像を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 6 kmまでの距離で、10^18 eVの大規模空気シャワーに対して、SiPMが十分な検出効率を発揮できるか。
• RQ2 フレネルレンズ光学系とウィンストンコーン集光器の組み合わせが、SiPMの光集光効率をどのように向上させるか。
• RQ3 温度依存のゲイン変動およびノイズ（クロストーク、アフターパルス、ダークカウント）が、SiPMベースの蛍光検出における信号忠実度に及ぼす影響はどの程度か。
• RQ4 FAMOUSプロトタイプは、シミュレーションで予測された通り、6 kmの距離での垂直シャワーに対して完全な検出効率を達成できるか。
• RQ5 最初の7画素版（FAMOUS^SEVEN）は、キャリブレーションおよび性能検証のための単一光子信号を解像できるか。

主な発見

• Geant4シミュレーションにより、FAMOUSプロトタイプが6 kmまでの距離で10^18 eVの大規模空気シャワーに対して完全な検出効率を達成することが確認された。
• 初号機のFAMOUS^SEVENは、400 nmのパルスLED照射による電荷スペクトルにおいて、個々の光子相当ピークを明確に解像し、1光子分解能の能力を確認した。
• SiPMベースのシステムは、420 nm、1.3 Vのオーバーボルテージ条件下で33.1%の測定光子検出効率を示し、安定した信号応答を示した。
• ウィンストンコーン集光器の使用により有効感光面積が拡大され、26.6°までの入射角で90%以上の光透過率が維持された。
• フロントエンド電子回路は、温度に起因するゲインドリフトを効果的に補償し、変動する環境条件下でも安定した動作を実現した。
• シミュレーション結果から、FAMOUSは夜空背景放射が≤1.9×10^12 m⁻²s⁻¹sr⁻¹の条件下でも、1晩に数10件のUHECRシャワーを検出可能であると示唆された。