[論文レビュー] Towards SiPM camera for current and future generations of Cherenkov telescopes

D. Mazin, P. Bangale+10 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2014

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、次世代地上型チェレンコフ望遠鏡に使用する商用シリコンフォトマルチプライヤー（SiPM）の評価を行い、従来のPMtと比較して優れた光子検出効率（PDE）と低いエネルギー閾値を示すことを実証している。主な結果として、現代のSiPMは500 nmで40–45%のPDEを達成しており、トレーニング隔離技術によりクロスタブが10%未満に低減されており、高いオーバーボルテージでの動作が可能で、低光量ガンマ線検出における性能が向上している。

ABSTRACT

So far the current ground-based Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes (IACTs) have energy thresholds in the best case in the range of ~30 to 50 GeV (H.E.S.S. II and MAGIC telescopes). Lowest energy gamma-ray showers produce low light intensity images and cannot be efficiently separated from dominating images from hadronic background. A cost effective way of improving the telescope performance at lower energies is to use novel photosensors with superior photon detection efficiency (PDE). Currently the best commercially available superbialkali photomultipliers (PMTs) have a PDE of about 30-33%, whereas the silicon photomultipliers (SiPMs, also known as MPPC, GAPD) from some manufacturers show a photon detection efficiency of about 40-45%. Using these devices can lower the energy threshold of the instrument and may improve the background rejection due to intrinsic properties of SiPMs such as a superb single photoelectron resolution. Compared to PMTs, SiPMs are more compact, fast in response, operate at low voltage, and are insensitive to magnetic fields. SiPMs can be operated at high background illumination, which would allow to operate the IACT also during partial moonlight, dusk and dawn, hence increasing the instrument duty cycle. We are testing the SiPMs for Cherenkov telescopes such as MAGIC and CTA. Here we present an overview of our setup and first measurements, which we perform in two independent laboratories, in Munich, Germany and in Barcelona, Spain.

研究の動機と目的

• 次世代イメージングアトモスフィアリックチェレンコフ望遠鏡（IACTs）に商用SiPMを適用する適性を、従来のPMtと比較して評価すること。
• SiPMの高い光子検出効率（PDE）と優れた単一光電子分解能を活用して、IACTのエネルギー閾値を低減すること。
• 波長およびオーバーボルテージ関数としての、崩壊電圧、クロスタブ、利得の線形性、PDEといった主要なSiPMパラメータを評価すること。
• 高背景照度に耐える能力を確認し、部分月明や曎明時における運用が可能かどうかを検証すること。
• チェレンコフ光に特に関連する、アフターパルス、温度依存性、および最適でないUV応答といった性能制限要因を同定すること。

提案手法

• 26–28 °Cの制御環境下で、ハマムツおよびエクセルイタスのSiPM（3×3 mm）を基準となるR11920-100 PMTと比較して測定した。
• 適用されたバイアス電圧の範囲で、1光電子あたりの信号変換係数をゼロのオーバーボルテージに外挿することで、崩壊電圧を測定した。
• 単一光電子スペクトルを用い、測定された光電子分布にモデルをフィッティングすることで、クロスタブ確率を定量化した。
• 350–500 nmで校正済み光源を用いて照射し、波長関数としてPDEを測定した。
• 立ち上がり時間およびFWHMを分析することで、タイミング分解能および高速シャワー再構築への適性を評価した。
• オーバーボルテージおよび温度の変化に対する性能安定性を評価し、フィードバックシステムの必要性と運用の耐障害性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SiPMは、関連するチェレンコフ光スペクトルにおいて、現在のPMtを上回る光子検出効率（PDE）を達成できるか？
• RQ2 現代のSiPMにおけるクロスタブは、旧世代と比較してどの程度低減されているか。また、トレーニング隔離技術はその低減に効果的か？
• RQ3 PDEを最大化し、ノイズおよびアフターパルスを最小限に抑えるために、SiPMの最適なオーバーボルテージ範囲は何か？
• RQ4 SiPMは、低光量チェレンコフシャワー検出において、エネルギー閾値および背景ノイズ抑制の面でどの程度向上をもたらすか？
• RQ5 SiPMは、曚明時および部分月明時における高背景照度に耐えうるか。

主な発見

• ハマムツSiPM（S12652-A0013）の崩壊電圧は65.7 Vであり、飽和するまでのオーバーボルテージマージンは4.9%であった。
• エクセルイタスSiPM（C30742-33-050-C）は96.0 Vの高い崩壊電圧を示し、6.25%のオーバーボルテージで動作可能であり、より広いダイナミックレンジを示している。
• ハマムツSiPMでは4.9%オーバーボルテージでクロスタブが40–50%に達したが、エクセルイタス機器では6.25%オーバーボルテージで10%未満に抑えられており、トレーニング隔離技術の有効性が裏付けられた。
• 両SiPMのPDEは350 nm以上の波長でR11920-100 PMTを上回っており、500 nmでは40–45%のPDEを達成した。
• SiPMのパルス波形は高速で、立ち上がり時間は2 ns未満、FWHMは7–15 nsであり、高精度なシャワータイミングに適している。
• SiPMのスペクトル応答はUV領域（2000 m高度のチェレンコフ光にとって重要）で依然として最適でない。UV領域ではPDEが低く、夜空背景が支配する赤外領域での感度が高いため、課題が残っている。