[論文レビュー] The IFAE/UAB and LUPM Raman LIDARs for Cherenkov Telescope Array Observatory

A. López-Oramas, Ó. Abril+9 more|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2013

Atmospheric Ozone and Climate参考文献 5被引用数 4

ひとこと要約

IFAU/UABおよびLUPMのラマンLIDARは、Cherenkov Telescope Array (CTA)向けに開発されており、ガンマ線エネルギー再構築における系統的不確実性を20%から5%未満に低減することを目的としています。共軸二色Nd-YAGレーザーと大口径1.8 mのミラーを用い、弾性散乱およびラマン散乱によるバックストレートを測定することで、波長および高さに依存する大気の減衰を測定し、Cherenkov光子フラックスおよびエネルギースケールへの大気効果を正確に補正することが可能になります。

ABSTRACT

The Cherenkov Telescope Array (CTA) is the next generation of Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes. It will reach a sensitivity and an energy resolution with no precendent in very high energy gamma-ray astronomy. In order to achieve this goal, the systematic uncertainties derived from the atmospheric conditions shall be reduced to the minimum. Different instruments may help account for these uncertainties. The Barcelona IFAE/UAB (acronyms for Institut de Física d'Altes Energies and Universitat Autònoma de Barcelona, respectively) and the Montpellier LUPM (Laboratoire Univers et Particules de Montpellier) groups are building Raman LIDARs, devices which can reduce the systematic uncertainties in the reconstruction of the gamma-ray energies from 20$%$ down to 5$%$. The Raman LIDARs subject of this work have coaxial 1.8 m mirrors with a Nd-YAG laser each. A liquid light-guide collects the light at the focal plane and transports it to the readout system. We are developping a monochromator with the purpose of testing the readout chain of both LIDARs. This device is composed of a system of filters and a photomultiplier, and will be used to study a particular elastic channel. After characterizing the system, we will build a polychromator to collect also the sparse Raman signal and will optimize it to reduce every possible loss of signal. We report on the current status of the LIDARs development and also the latest results on the different characterization tests.

研究の動機と目的

• Cherenkov Telescope Array (CTA)のガンマ線エネルギー再構築における系統的不確実性を、約20%から5%未満に低減すること。
• 弾性散乱およびラマン散乱バックストレート光の両方を測定することで、減衰係数およびバックストレート係数を独立して特定し、大気の特性を向上させること。
• リアルタイムで高精度の大気透過率データを提供することにより、最適でない大気条件下でも運用を可能とすること。
• CTAの高い感度、角度分解能、積分時間の要件に適合した専用で高感度のLIDARシステムを開発すること。
• 光電子増倍管を用いた単色および多波長光学検出器を用いて、弱いラマン信号の信号収集および読み出しを最適化すること。

提案手法

• 1064 nmおよび532 nmの二色レーザーを発振する共軸二色Nd-YAGレーザーを用い、大気中で弾性散乱およびラマン散乱を励起する。
• 点スプツム関数が約6.5 mmの1.8 m径のミラーを用い、70°の開口角でバックストレート光を収集する。
• 収集した光を光ガイドを介して焦点面検出器系に輸送し、コリメーティングレンズおよびデュアルミラーを用いて波長分離を行う。
• 干渉フィルターおよび光電子増倍管（PMT）を備えた多波長光学検出器を採用し、1チャンネルあたり80%の信号収集効率を達成する。
• 二重読み出し方式を採用：低高度の強い信号にはDC記録、高高度の弱いラマン信号には1光子エレクトロンカウンティングを適用する。
• LIDAR式方程式（P(r,λ) = P₀ct₀/2 × β(r,λ)A/r² × e^(-2τ(r,λ))) を用いてバックストレート電力のモデル化を行い、減衰（τ）およびバックストレート（β）係数を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ラマンLIDARシステムは、事前仮定に依存せずに、同時に大気の減衰係数およびバックストレート係数を取得できるか？
• RQ2 現在のIACTと比較して、ラマンLIDARはCTAにおけるガンマ線エネルギー再構築における系統的不確実性をどの程度低減できるか？
• RQ3 複数波長にわたる弱いラマン信号を収集する際、光学検出チェーンでの信号損失を最小限に抑えるにはどうすればよいか？
• RQ4 広い開口角（70°）で高いスペクトル選別能を達成しつつ、80%の信号収集効率を実現するには、どのような光学設計および検出器構成が必要か？
• RQ5 DC読み出しと1光子エレクトロンカウンティングを組み合わせたハイブリッド読み出しシステムは、大気バックストレート信号の全ダイナミックレンジを効果的に捉えることができるか？

主な発見

• ラマンLIDARは、波長および高さに依存する大気減衰の正確な測定を可能にすることで、ガンマ線エネルギー再構築における系統的不確実性を約20%から5%未満に低減することを目的として設計されています。
• 多波長光学検出器システムは、1チャンネルあたり80%の信号収集効率を達成しており、コリメーティングおよびデュアルミラーによる分離により高いスペクトル選別能を実現しています。
• 1064 nmおよび532 nmの二色レーザーの使用により、弾性散乱およびラマン散乱バックストレートを同時に測定でき、バックストレート係数と減衰係数のデグレーダンスを解消することが可能になります。
• LIDARシステムは商業用LICEL読み出しモジュールを用いて構築されていますが、高高度での1光子エレクトロン検出に最適化するため、カスタムソリューションの開発が検討されています。
• 光学システムは現在製作中であり、初期段階のテストが实验室のベンチ上ですでに進行中で、CTA施設への設置に先立って性能の妥当性を検証しています。
• これらのLIDARは、リアルタイムの大気モニタリングにより非理想の大気条件下でもデータ補正を可能とすることで、CTAの稼働率を向上させると予想されています。