[論文レビュー] The Upgrade of VERITAS with High Efficiency Photomultipliers

A. N. Otte|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2011

Radiation Detection and Scintillator Technologies参考文献 1被引用数 17

ひとこと要約

本論文では、VERITAS Cherenkov望遠鏡アレイの高効率R10560-100-20 MOD光電子増倍管（PMT）へのアップグレードについて詳述している。これにより、エネルギー閾値が約100 GeVから約70 GeVに低下し、光子検出効率が35%向上することで感度が向上する。新しいPMTはパルス幅が狭く（4.2 ns 対 6.8 ns）、量子効率が優れており、信号の識別性能が向上し、月明かり下や低エネルギーガンマ線観測における性能が向上する。

ABSTRACT

We are in the process of upgrading the VERITAS array of Cherenkov telescopes with new, high efficiency photomultipliers (PMT) that will considerably lower the energy threshold of the instrument and improve the overall sensitivity. The upgrade will be finished in Summer 2012 when the PMTs will be installed in the existing cameras. We discuss the performance of the new photon detectors and the status of the project.

研究の動機と目的

• VERITAS Cherenkov望遠鏡アレイのエネルギー閾値を100 GeV未満に低下させ、微弱で低エネルギーのガンマ線源に対する感度を向上させること。
• レガシーモードのPMTを高効率光検出器に置き換えることで、VERITAS全体の感度を向上させること。
• より狭いパルス形状を活用し、夜空背景（NSB）光子からのCherenkov信号の識別を向上させること。
• 根本的な物理的制約なしに、ハードウェア部品をアップグレードしながらシステム性能を維持または向上させること。
• PMTの老化およびアフターパルス効果の特性評価を通じて、長期的な信頼性と正確なキャリブレーションを確保すること。

提案手法

• 4台のVERITAS望遠鏡すべてに、既存のPhotonis XP2970 PMTをHamamatsu R10560-100-20 MOD PMTに交換すること。
• 8段階の線形フォーカスドダイオード構造とアクティブ電圧安定化を用い、1100 Vのバイアスで名目ゲイン2×10⁵を維持すること。
• Delrinチューブ、R10560 PMT、プリアンプを組み合わせた新しいピクセルユニットをモジュラーかつ交換可能な構造として設計すること。
• 正確なモンテカルロシミュレーションとシステムキャリブレーションを可能にするために、PMTの10%を対象にアフターパルスおよび効率測定を実施すること。
• 単一光電子パルスの波形および振幅分布を測定し、信号分解能およびピエダスト分離の評価を行うこと。
• 測定した光子検出効率（PDE）をCherenkov光スペクトルと重畳させ、効果的な光集光性能を推定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レガシーモードPMTを高効率R10560 PMTに置き換えることで、VERITASのエネルギー閾値と感度にどのような影響を与えるか？
• RQ2 R10560のパルス形状特性はXP2970と比べてどう異なり、背景雑音の識別性能にどのような影響を与えるか？
• RQ3 R10560の光子検出効率（PDE）はどの程度で、VERITASのエネルギー範囲におけるXP2970と比べてどうか？
• RQ4 PMTの老化が時間経過に伴いゲイン安定性に与える影響は何か？また、VERITASの運用条件下での予想される寿命性能は？
• RQ5 R10560のアフターパルス確率はどの程度で、信号再構築および背景除去にどのような影響を与えるか？

主な発見

• R10560 PMTはXP2970と比較して35%高い光子検出出力を達成し、効果的な光集光量も35%向上する。
• R10560の単一光電子パルスは、全波幅半値（FWHM）が4.2 nsであり、XP2970の6.8 nsと比較して40%狭い。
• R10560の量子効率は、従来のバイアルカリPMTと比較して顕著に高く、測定された光電子収集効率は92%である。
• アップグレード後、VERITASのエネルギー閾値は約100 GeVから約70 GeVに低下し、低エネルギーガンマ線源に対する感度が向上する。
• アフターパルス確率は低く、測定手法に依存せず一貫しており、主パルスから100 ns後のアフターパルス率は約1.5%である。
• R10560は45 µAのアノード電流で700時間の運転後にゲインが25%低下するが、これはVERITAS運用の約4年分に相当し、管理可能な老化効果である。