[논문 리뷰] Novel Photo Multiplier Tubes for the Cherenkov Telescope Array Project

T. Toyama, Razmik Mirzoyan외 13명|arXiv (Cornell University)|2013. 07. 20.

Photocathodes and Microchannel Plates인용 수 34

한 줄 요약

이 논문은 체렌코프 망원경 어레이(Cerenkov Telescope Array, CTA)를 위한 차세대 광전자 증폭관(PMT)의 개발을 제시하며, 43%에 이르는 최고 수준의 양자 효율과 4광전자 임계값에서 0.02%로 감소된 후파울링을 달성한다. 향상된 비알칼리 광음극과 다이노드 차폐를 통해 빛 유도 후파울링을 억제함으로써, 매우 높은 에너지 영역의 감마선 천문학에서 감도와 에너지 해상도가 크게 향상된다.

ABSTRACT

Currently the standard light sensors for imaging atmospheric Cherenkov telescopes are the classical photo multiplier tubes that are using bialkali photo cathodes. About eight years ago we initiated an improvement program with the Photo Multiplier Tube (PMT) manufacturers Hamamatsu (Japan), Electron Tubes Enterprises (England) and Photonis (France) for the needs of imaging atmospheric Cherenkov telescopes. As a result, after about 40 years of stagnation of the peak Quantum Efficiency (QE) on the level of 25-27%, new PMTs appeared with a peak QE of 35%. These have got the name super-bialkali. The second significant upgrade has happened very recently, as a result of a dedicated improvement program for the candidate PMT for Cherenkov Telescope Array. The latter is going to be the next generation major instrument in the field of very high energy gamma astrophysics and will consist of over 100 telescopes of three different sizes of 23m, 12m and 4-7m, located both in southern and northern hemispheres. Now PMTs with average peak QE of approximately 40% became available. Also, the photo electron collection efficiency of the previous generation PMTs of 80- 90% has been enhanced towards 95-98% for the new ones. The after-pulsing of novel PMTs has been reduced towards the level of 0.02% for the set threshold of 4 photo electrons. We will report on the PMT development work by the companies Electron Tubes Enterprises and Hamamatsu Photonics K.K. show the achieved results and the current status.

연구 동기 및 목표

• 이미징 대기 체렌코프 망원경(IACT)의 감도를 향상시키기 위해 양자 효율(QE)이 크게 향상된 PMT를 개발하기 위해.
• IACT에서 신호의 정밀도와 에너지 임계값을 제한하는 핵심 요소인 후파울링을 줄이기 위해.
• 신호 대 잡음 비율을 극대화하기 위해 95% 이상의 광전자 수확 효율을 향상시키기 위해.
• 차세대 매우 높은 에너지 영역 감마선 관측소를 위한 CTA의 엄격한 사양을 충족시키기 위해 신규 PMT 성능을 검증하기 위해.

제안 방법

• 조절 가능한 빛 원천, 校정된 PIN 다이오드, 피코암페어 미터를 사용하여 정밀한 전류 비교를 위한 맞춤형 양자 효율(QE) 측정 시스템을 설계하고 제작하였다.
• 200–800 nm 범위에서 9개의 하마마츠 R11920-100 및 3개의 R11920-100-05 PMT의 QE를 측정하였으며, 후자는 최고 QE >35%를 기록했고 최대 43%에 이를 수 있었다.
• 레이저 유도 신호 분석과 온스코프 기반 모니터링을 통해 디스크리미네이터 임계값(4광전자)에 따른 후파울링 레이트를 측정함으로써 후파울링을 평가하였다.
• 이중 PMT 설정을 통해 다이노드 영역의 내부 빛 방출을 조사하였으며, 하나의 PMT가 440 nm 레이저에 의해 조명된 다른 PMT의 다이노드에서 방출되는 빛을 감지하였다.
• 하마마츠 PMT에 다이노드 차폐를 구현하고 테스트하여 빛에 의한 후파울링을 억제하였으며, 차폐 이전과 이후의 신호 수준을 비교하였다.
• CTA의 요구사항과 PMT 성능을 연계하여 분석하였으며, 이는 체렌코프 스펙트럼(≥21%) 평균 QE, 후파울링 ≤0.02%, 전이 시간 스프레드 ≤1.5 ns를 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존의 25–27% 수준의 정체된 양자 효율을 넘어 체렌코프 망원경의 감도를 향상시키기 위해 PMT의 양자 효율을 높일 수 있는가?
• RQ2 PMT에서 후파울링의 원인은 무엇이며, CTA의 엄격한 임계값 요구사항을 충족시키기 위해 이를 줄일 수 있는가?
• RQ3 다이노드 영역의 빛 방출이 후파울링에 얼마나 기여하는가? 그리고 차폐가 이 효과를 완화시킬 수 있는가?
• RQ4 하마마츠와 일렉트론 튜브 엔터프라이즈(ETE) PMT가 QE, 후파울링, 수확 효율 측면에서 CTA의 성능 사양을 충족할 수 있는가?
• RQ5 신규 PMT의 성능 지표는 2km 고도에서 100 GeV 공기 샤워의 체렌코프 빛 스펙트럼과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 하마마츠 R11920-100-05 PMT는 최고 수준의 양자 효율 43%를 달성하였으며, 300대의 생산 제품은 모두 40% 이상의 일관된 성능을 보였다.
• 체렌코프 스펙트럼(290–600 nm) 범위에서의 평균 QE는 21% 이상에 도달하여 CTA의 요구사항(≥21%)을 충족하고 초과하였다.
• 다이노드 차폐 및 개선된 진공 처리를 통해 4광전자 임계값에서 후파울링 레이트를 0.02%로 감소시켜 CTA의 사양을 충족하였다.
• 다이노드 간 영역에서의 빛 방출이 직접 관측되었으며, 전자 펄스 이후 약 18 ns 후에 방출된 것으로 확인되었으며, 이는 후파울링의 원인으로 규명되었다.
• 다이노드 차폐를 통해 뒤로 향하는 광자 전파를 억제함으로써 빛에 의한 후파울링이 감소되었으며, 이는 이중 PMT 측정 설정을 통해 검증되었다.
• 일렉트론 튜브 엔터프라이즈(ETE) PMT는 최고 수준의 양자 효율 35–37%를 기록하였으며, 반사 방지 코팅과 매트 입력 윈도우를 통해 향후 40–45%로 향상시킬 계획이다.