[논문 리뷰] Extreme Universe Space Observatory on a Super Pressure Balloon 1 calibration: from the laboratory to the desert

Jenni Adams, Shadab Alam외 64명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 18.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 20인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 초고에너지 우주선을 형광광으로 탐지하기 위해 설계된 고도기구형 방공선에 실린 극한의 우주 우주 관측소 슈퍼 압력 방공선 1호(EUSO-SPB1)의 기내 보정을 제시한다. 레이저 기반의 트리거 효율, 각도 해상도, 평탄한 필드 측정을 포함한 실험실 및 현장 시험을 통해, 이 기구는 10%의 절대 광검출 효율, 11.1°의 시야각, 그리고 도합도 이하의 각도 해상도를 확보하였으며, 이는 우주선 탐지에 대한 준비가 완료되었음을 입증한다.

ABSTRACT

The Extreme Universe Space Observatory on a Super Pressure Balloon 1 (EUSO-SPB1) instrument was launched out of Wanaka, New Zealand, by NASA in April, 2017 as a mission of opportunity. The detector was developed as part of the Joint Experimental Missions for the Extreme Universe Space Observatory (JEM-EUSO) program toward a space-based ultra-high energy cosmic ray (UHECR) telescope with the main objective to make the first observation of UHECRs via the fluorescence technique from suborbital space. The EUSO-SPB1 instrument is a refractive telescope consisting of two 1m$^2$ Fresnel lenses with a high-speed UV camera at the focal plane. The camera has 2304 individual pixels capable of single photoelectron counting with a time resolution of 2.5$\mu$s. A detailed performance study including calibration was done on ground. We separately evaluated the properties of the Photo Detector Module (PDM) and the optical system in the laboratory. An end-to-end test of the instrument was performed during a field campaign in the West Desert in Utah, USA at the Telescope Array (TA) site in September 2016. The campaign lasted for 8 nights. In this article we present the results of the preflight laboratory and field tests. Based on the tests performed in the field, it was determined that EUSO-SPB1 has a field of view of 11.1$^\circ$ and an absolute photo-detection efficiency of 10%. We also measured the light flux necessary to obtain a 50% trigger efficiency using laser beams. These measurements were crucial for us to perform an accurate post flight event rate calculation to validate our cosmic ray search. Laser beams were also used to estimated the reconstruction angular resolution. Finally, we performed a flat field measurement in flight configuration at the launch site prior to the launch providing a uniformity of the focal surface better than 6%.

연구 동기 및 목표

• 제어된 실험실 및 현장 시험을 통해 EUSO-SPB1 검출기의 성능을 사전 특성화하기.
• 초고에너지 우주선(UHECRs)이 유도하는 형광광을 통해 광폭 공기폭발(EAS) 궤적을 탐지하고 재구성할 수 있는 기구의 능력을 검증하기.
• 광검출 효율, 시야각(FoV), 트리거 효율, 각도 해상도와 같은 핵심 기구 파ameter를 측정하기.
• 구성 요소(PDM 및 광학계열)와 종단 간 구성에서 보정 정확도와 일관성을 확보하기.
• 기본 성능 지표를 설정하여 기체 후 이벤트 발생률 계산 및 천체원천 재구성의 정확성을 보장하기.

제안 방법

• 파리의 APC 실험실에서 통합구를 사용하고 캘리브레이션된 378 nm LED 소스를 활용해 사진검출모듈(PDM)의 상대 및 절대 광학 캘리브레이션을 수행하였다.
• 수차를 최소화한 레이저 빔과 캘리브레이션된 광다이오드를 사용하여 이 렌즈 및 삼렌즈 구성의 광학 효율 측정을 수행하여 빛 통과율을 도출하였다.
• 미국 유타주 텔레스코프 어레이 현장에서 8박의 현장 캠프를 수행하여, 맥동형 자외선 레이저를 사용해 EAS 유도 형광 신호를 시뮬레이션하였다.
• 레이저 펄스 에너지에 따른 트리거 효율을 측정하여 50% 검출 임계값(0.9 mJ)을 도출하고 기구 감도를 검증하였다.
• 뉴질랜드 반카에서의 발사 현장에서 평탄한 필드 측정을 수행하여 픽셀 간 감도 균일도(<6% 변동)를 평가하였다.
• 광학축에 대해 다양한 각도(13°–88°)에서 레이저 슈팅을 수행하여 시간 피팅을 기반으로 기하학적 공기폭발 모델에 따라 도착 방향을 재구성하고 각도 해상도를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 EUSO-SPB1 기구의 절대 광검출 효율은 얼마이며, 개별 구성 요소의 실험실 측정 결과와 어떻게 비교되는가?
• RQ2 현장 시험을 통해 산정된 EUSO-SPB1 기구의 효과적 시야각(FoV)은 얼마인가?
• RQ3 기구가 50% 트리거 효율을 달성하는 레이저 펄스 에너지는 얼마이며, 이는 초고에너지 우주선 폭발에서 예상되는 신호 수준과 어떻게 관련되는가?
• RQ4 실제 현장 조건에서 재구성된 기구의 각도 해상도는 얼마이며, 이는 폭발 입사각에 따라 어떻게 변하는가?
• RQ5 감도는 초점면 전반에 걸쳐 균일한가? 비균일성은 이벤트 재구성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• EUSO-SPB1 기구의 절대 광검출 효율은 10% ± 1%로 측정되었으며, PDM 및 광학계열의 실험실 측정 결과의 통합과 일치하였다.
• 현장 측정을 통해 EUSO-SPB1 기구의 시야각은 11.1° ± 0.2°로 결정되었다.
• 355 nm에서 레이저 펄스 에너지 0.9 mJ에서 50% 트리거 효율을 달성하였으며, 이는 33 km 고도에서 45° 심도각을 가진 3.5 EeV 광폭 공기폭발에서 예상되는 신호 수준과 해당한다.
• 최악의 경우(13° 입사각)에서 재구성된 각도 해상도는 2.2° 이하였고, 68°에서 0.4°로 향상되어 기울어진 폭발에 대해 높은 방향 재구성 정확도를 보였다.
• 발사 현장에서의 평탄한 필드 측정을 통해 초점면 전반에서 픽셀 감도 균일도가 6% 이하로 확인되어 신뢰할 수 있는 이벤트 재구성 가능성을 확보하였다.
• 기구는 재구성된 각도에 대해 체계적인 0.9°의 낮은 쪽 편향을 보였으며, 이는 레이저 기울기 또는 천체망원경 조준 캘리브레이션의 오차로 인한 것으로 보인다.