[論文レビュー] The SST-1M camera for the Cherenkov Telescope Array

E. J. Schioppa, F. Cadoux+49 more|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

Cherenkov Telescope Array (CTA) の SST-1M カメラは、統合された光集光器を備えたカスタム大面積シリコンフォトマルチプライヤー（SiPM）のコンactなヘキサゴナルアレイと、完全にデジタルで高スループットな読み出しシステム（DigiCam）を備えており、30年以上にわたる高精度なガンマ線検出を可能にしている。22 MHz の夜空背景放射下でも10%未満の電荷分解能を達成し、高光度条件下でも0.5%未満のクロストークを示しており、高エネルギー領域（5–300 TeV）における大規模な展開に適していることが検証された。

ABSTRACT

The prototype camera of the single-mirror Small Size Telescopes (SST-1M) proposed for the Cherenkov Telescope Array (CTA) project has been designed to be very compact and to deliver high performance over thirty years of operation. The camera is composed of an hexagonal photo-detection plane made of custom designed large area hexagonal silicon photomultipliers and a high throughput, highly configurable, fully digital readout and trigger system (DigiCam). The camera will be installed on the telescope structure at the H. Niewodnicza{ń}ski institute of Nuclear Physics in Krakow in fall 2015. In this contribution, we review the steps that led to the development of the innovative photo-detection plane and readout electronics, and we describe the test and calibration strategy adopted.

研究の動機と目的

• Cherenkov Telescope Array (CTA) の小形望遠鏡（SST）サブアレイ向けに低コストでスケーラブルかつ耐久性のあるカメラシステムを開発すること。
• 最適化されたフォト検出と読み出し回路を用いて、高エネルギーガンマ線（5–300 TeV）の高精度検出を可能にすること。
• 極端な環境条件下および高い背景光レベル下でも長期的な安定性と耐障害性を確保すること。
• 将来の CTA アレイ全体における大規模展開に適した、均一性と信頼性の高い量産を実現すること。
• SiPM、光集光器、デジタル電子回路の主要部品の性能を、広範な試験とキャリブレーションにより検証すること。

提案手法

• 1296個のカスタムヘキサゴナル SiPM を108モジュール（1モジュール12ピクセル）に配置したヘキサゴナルフォト検出平面（PDP）を設計し、アルミバックプレートによって機械的安定性を確保する。
• プラスチック製のウィンストンコーンを光集光器として統合し、ヘキサゴナルピクセルからの光を3×3 mm² の正方形 SiPM に焦点化させ、9° FWHM（全波幅半値）の角度分解能を達成する。
• PDP とは別に設置された、完全にデジタルで高スループットかつ設定可能な読み出しシステム（DigiCam）を実装し、フロントエンド回路、トリガーロジック、スローモード制御を含む。
• ハイブリッド冷却システムを採用：DigiCam ボードに接続された水冷熱パイプを熱交換器を介して冷却し、PDP バックプレートを熱拡散板として機能させる。
• DigiCam ミニクラスタを45°傾けて、望遠鏡のいかなる傾斜角でも熱パイプの信頼性ある動作を保証する。
• SiPM、PreAmp、スローモード制御基板（SCB）の部品レベル試験を、携帯式で工場内に統合された試験装置を用いて実施し、470 nm のLED光源およびファイバー光照射による光学的特性評価も実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地上ガンマ線観測所の過酷な環境下で、SiPM を用いたカメラが30年以上にわたって安定した高精度動作を維持できるか？
• RQ2 ヘキサゴナルピクセル形状と光集光器の使用が、SST-1M カメラのトリガーエフェクティビティおよび角度分解能にどのように影響を与えるか？
• RQ3 半分月の状態（660 MHz NSB）下で、SiPM アレイのクロストークレベルはどの程度で、1%未満に抑えることができるか？
• RQ4 デジタル DigiCam 読み出しシステムは、高夜空背景（NSB）レベル下でも、広動態範囲において10%未満の電荷分解能を維持できるか？
• RQ5 カメラのモジュラーかつスケーラブルな設計は、均一性が高く欠陥率が低い大規模生産に適しているか？

主な発見

• 共通カソードバイアスを4チャンネルにわたって適用しても、単一光電子分解能が明確に分離され、SiPM ベースの PDP が良好に機能していることが確認された。
• 暗黒夜条件（22 MHz NSB）下で、1つのセンサーの電荷分解能は、全動態範囲にわたり10%未満であり、性能目標を満たしている。
• 半分月状態（660 MHz NSB）下でも、10光電子以上の光レベルでは電荷分解能が10%未満を維持し、60光電子以上の光レベルでは目標のしきい値を下回っている。
• 電子的クロストークは無視できるほど小さく、約3000光子の光レベルでしか誘導信号が検出できないが、その大きさは0.5%未満に保たれている。
• PDP 冷却システムは1:10のモックアップとFEMシミュレーションにより検証され、基板全体に安定した温度勾配を生み出し、効果的な熱放出を実現している。
• 部品レベルの試験から、SiPM 応答、PreAmp ゲイン、SCB キャリブレーションの優れた均一性が明らかになり、今後の運用における信頼性の高いフラットフィールド補正とデータキャリブレーションが可能であることが示された。