[論文レビュー] The Absolute, Relative and Multi-Wavelength Calibration of the Pierre Auger Observatory Fluorescence Detectors

R. Knapik, P. Bauleo+21 more|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2007

Calibration and Measurement Techniques参考文献 3被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、ピエール・オーディル観測所の蛍光検出器の包括的なキャリブレーションフレームワークを提示する。375 nmでの絶対キャリブレーションにポータブルドラム光源を用い、320–405 nmの多波長測定によりスペクトル応答を評価し、光ファイバーを用いた相対キャリブレーションシステムで毎晩および季節的な応答変化を追跡する。主な貢献は、独立したレーザークロスチェックによる検証を経て、絶対キャリブレーションにおける総合不確実性が9.5%に抑えられたことである。これは、冗長なシステムと相対キャリブレーションデータの統合によりさらなる改善がなされた結果である。

ABSTRACT

Absolute calibration of the Pierre Auger Observatory fluorescence detectors uses a 375 nm light source at the telescope aperture. This end-to-end technique accounts for the combined effects of all detector components in a single measurement. The relative response has been measured at wavelengths of 320, 337, 355, 380 and 405 nm, defining a spectral response curve which has been normalized to the absolute calibration. Before and after each night of data taking a relative calibration of the phototubes is performed. This relative calibration is used to track both short and long term changes in the detector's response. A cross check of the calibration in some phototubes is performed using an independent laser technique. Overall uncertainties, current results and future plans are discussed.

研究の動機と目的

• ピエール・オーディル観測所の蛍光検出器の全コンponentを考慮した、信頼性の高いエンドツーエンドキャリブレーション手法の開発。
• 320–405 nmの範囲におけるスペクトル応答の変動を、多波長ドラム測定を用いて測定・補正すること。
• 光ファイバーを用いた相対キャリブレーションシステムにより、フォトマルチプライヤー管の毎晩および季節的な応答変化を追跡すること。
• 独立したレーザー技術を用いたクロスチェックにより、絶対キャリブレーションにおける系統的不確実性を低減すること。
• 相対キャリブレーションデータを夜間補正に統合し、頻繁なドラムキャリブレーションおよびレーザーチェックへの依存度を低減すること。

提案手法

• 440画素すべてを均一に照らすポータブルドラム光源（UV LEDおよびキセノンフラッシャーを内蔵）を用い、シャワーに類似した光分布を再現する。
• 375 nm LED光源を用いた絶対キャリブレーションを実施。強度は、パルスビームおよび連続ビームを含む3段階の強度転送プロセスにより、NISTトレーサブルなSiフォトダイオードに移管する。
• 同一基準PMtを用いて320、337、355、380、405 nmで相対応答を測定し、量子効率データを用いてスペクトル曲線を375 nmの絶対キャリブレーションに正規化する。
• 高出力LEDを用いた光ファイバーを用いた相対キャリブレーションシステムにより、毎回のデータ取得の前後において、すべてのミラーを同時に照らし、応答ドリフトをモニタリングする。
• 独立したレーザークロスチェックシステムにより、FDから4 km前方に既知エネルギーのレーザーを発射し、レイノルズ散乱を用いて光子フラックスを予測し、ドラムキャリブレーションの妥当性を検証する。
• すべてのキャリブレーションシステムのデータを統合し、2004年12月以降のエポックを定義して、基準キャリブレーションを更新し、ハードウェア変更および長期トレンドに対応する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 すべてのコンponentを考慮した、ピエール・オーディル蛍光検出器の絶対応答を、最小限の系統的不確実性でどのようにキャリブレーションできるか？
• RQ2 320–405 nm範囲におけるFDカメラのスペクトル応答は何か？ また、375 nmの絶対キャリブレーションに正確に正規化するにはどうすればよいか？
• RQ3 毎晩および季節的なPMt応答変動がシャワー再構築に与える影響は何か？ そして、これらの変動を効果的に追跡するにはどのような手法が有効か？
• RQ4 独立したレーザークロスチェックとドラムキャリブレーションの一致度はどの程度か？ 尚、残存する不確実性は何か？
• RQ5 相対キャリブレーションデータの統合により、頻繁なドラムおよびレーザーキャリブレーションの必要性を減少させることは可能か？

主な発見

• 蛍光検出器の絶対キャリブレーションにおける総合不確実性は9.5%に達し、主に強度転送（6.0%）と温度効果（3.5%）が主な寄与要因である。
• 320、337、355、380、405 nmで測定した多波長応答曲線は、各波長で相対不確実性4%であり、375 nmの絶対キャリブレーションに正規化されている。
• 光ファイバーを用いた相対キャリブレーションシステムにより、カメラの毎晩および季節的応答変動が追跡され、各エポック内で3–4%のフラクチュエーションが観測された。
• 一部のピクセルについてのレーザークロスチェックは、3年間にわたりドラムキャリブレーションと一貫した一致を示し、系統的不確実性は主にエネルギープローブキャリブレーションおよび大気補正に起因する。
• 相対キャリブレーションデータを夜間補正に統合する作業が進行中であり、応答ドリフトの影響が軽減され、頻繁なドラムおよびレーザーキャリブレーションへの依存度が低下している。
• 独立した系統的不確実性を持つ冗長なラボキャリブレーションシステムが開発中であり、現在のドラムキャリブレーション手順の相互検証を可能とし、全体の不確実性をさらに低減する。