[논문 리뷰] Energy response of GECAM Gamma-Ray Detector (GRD) prototype

Dali Zhang, Xinqiao Li외 8명|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 10.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 15인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 GECAM 미션을 위한 프로토타입 감마선 탐지기(GRD)의 에너지 응답을 평가한다. 이 GRD는 감마선 6 keV–5 MeV를 탐지하기 위해 LaBr3:Ce闪烁체, SiPM 어레이 및 이중 이득 프리앰프를 사용한다. 프로토타입은 662 keV에서 5.3%의 에너지 해상도(FWHM)를 달성하여 미션 요구사항인 <8%를 충족하며, 방사성 원소와 Geant4 시뮬레이션을 통해 정확한 에너지 캘리브레이션을 수행한다.

ABSTRACT

The Gravitational wave high-energy Electromagnetic Counterpart All-sky Monitor (GECAM) , composed of two small satellites, is a new mission to monitor the Gamma-Ray Bursts (GRBs) coincident with gravitational wave events with a FOV of 100% all-sky. GECAM detects and localizes 6 keV-5 MeV GRBs via 25 compact and novel Gamma-Ray Detectors (GRDs). Each GRD module is comprised of a LaBr3:Ce scintillator, SiPM array and preamplifier. A large dynamic range is achieved by the high gain and low gain channels of the preamplifier. This article discusses the performance of a GRD prototype which includes a set of radioactive sources in the range of 5.9-1332.5 keV. The energy resolution and energy to ADC channel conversion of the GRD module are also discussed. The typical energy resolution is 5.3% at 662 keV (FWHM) which meets the relevant requirements (< 8% at 662 keV). The energy calibration capability is evaluated by the measured intrinsic activity of LaBr3:Ce and Geant4 simulation results. The test results demonstrate the feasibility of the GECAM GRD design.

연구 동기 및 목표

• 우주 기반 감마선 폭발 모니터링을 위한 GECAM 감마선 탐지기(GRD) 프로토타입의 에너지 응답 성능을 평가하는 것.
• GRD 프로토타입이 662 keV(FWHM)에서 8% 미만의 요구 에너지 해상도를 충족하는지 확인하는 것.
• LaBr3:Ce의 내재 활성도와 Geant4 시뮬레이션 결과를 이용해 에너지 응답을 캘리브레이션하는 것.
• GRD 설계가 중력파 사건과 동시 발생하는 전체 하늘 감마선 폭발 모니터링에 가능성을 보여주는 것.

제안 방법

• GRD 프로토타입은 감마선 탐지를 위해 LaBr3:Ce闪烁체를 SiPM 어레이에 결합한다.
• 이중 이득 프리앰프 회로는 고이득 및 저이득 채널 간 전환을 통해 넓은 동적 범위를 가능하게 한다.
• 에너지 응답을 특성화하기 위해 5.9–1332.5 keV 범위의 방사성 원소를 사용하여 에너지 캘리브레이션을 수행한다.
• 성능 평가를 위해 주요 감마선 선, 특히 137Cs에서 유래한 662 keV를 중심으로 에너지 해상도를 측정한다.
• 감마선 탐지기 응답을 모델링하고 내재 활성도 측정치를 검증하기 위해 Geant4 시뮬레이션을 사용한다.
• 캘리브레이션 데이터와 시뮬레이션 결과에서 유도된 에너지-ADC 채널 변환 관계를 수립한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GRD 프로토타입은 감마선 탐지에 대해 662 keV(FWHM)에서 요구되는 8% 이하의 에너지 해상도를 달성하는가?
• RQ2 내재 활성도와 Geant4 시뮬레이션 결과를 이용한 GRD 프로토타입의 에너지 캘리브레이션 정확도는 어느 정도인가?
• RQ3 이중 이득 프리앰프 설계는 6 keV–5 MeV 에너지 범위에서 넓은 동적 범위를 얼마나 잘 지원하는가?
• RQ4 측정된 에너지 해상도와 응답은 실험 데이터와 시뮬레이션을 모두 통해 검증될 수 있는가?

주요 결과

• GRD 프로토타입은 662 keV에서 5.3% (FWHM)의 에너지 해상도를 확보하여 미션 요구사항인 <8%를 충족한다.
• LaBr3:Ce闪烁체의 측정된 내재 활성도와 Geant4 시뮬레이션 결과 간 일관성 있는 결과를 통해 에너지 캘리브레이션이 검증된다.
• 이중 이득 프리앰프 설계는 6 keV–5 MeV 에너지 스펙트럼 전반에 걸쳐 넓은 동적 범위를 성공적으로 지원한다.
• 방사성 원소 캘리브레이션 원소와 시뮬레이션 데이터를 이용해 에너지-ADC 채널 변환 관계가 정확히 수립된다.
• 시험된 에너지 범위(5.9–1332.5 keV) 내에서 프로토타입은 안정적이고 반복 가능한 에너지 응답을 보여준다.
• 전반적인 성능은 GECAM 미션의 전체 하늘 감마선 폭발 모니터링을 위한 GRD 설계의 타당성을 확인한다.