[논문 리뷰] Raman LIDARs for the atmospheric calibration along the line-of-sight of CTA

O. Ballester, O. Blanch외 21명|idUS (Universidad de Sevilla)|2019. 09. 20.

Radiation Detection and Scintillator Technologies참고 문헌 10인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 츄레노프 전파망원경 어레이(Cherenkov Telescope Array, CTA)의 선형 방향을 따라 실시간 대기 보정을 위한 두 대의 라만 레이저 레이더(Raman LIDAR) 프로토타입을 제시한다. 대기 중 에어로졸 흡수율을 두 파장에서 30 km까지 <5% 정확도로 약 1분 이내에 측정하기 위해, 2.5 m²의 큰 수집 거울, 액체 빛 가이드, 고정밀 분광계를 사용한다. 이 시스템은 CTA의 매우 높은 에너지 영역 감마선 관측에서 에너지 스케일과 기기 응답 편향을 보정하는 데 필수적이다.

ABSTRACT

The Cherenkov Telescope Array (CTA) is the next generation ground based observatory for gamma ray astronomy at very high energies. Employing more than 100 Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes in the northern and southern hemispheres, it was designed to reach unprecedented sensitivity and energy resolution. Understanding and correcting for systematic biases on the absolute energy scale and instrument response functions will be a crucial issue for the performance of CTA. The LUPM group and the Spanish/Italian/Slovenian collaboration are currently building two Raman LIDAR prototypes for the online atmospheric calibration along the line of sight of the CTA. Requirements for such a solution include the ability to characterize aerosol extinction at two wavelengths to distances of 30 km with an accuracy better than 5%, within time scales of about a minute, steering capabilities and close interaction with the CTA array control and data acquisition system as well as other auxiliary instruments. Our Raman LIDARs have design features that make them different from those used in atmospheric science and are characterized by large collecting mirrors (2.5 m2), liquid light guides that collect the light at the focal plane and transport it to the readout system, reduced acquisition time and highly precise Raman spectrometers. The Raman LIDARs will participate in a cross calibration and characterization campaign of the atmosphere at the CTA North site at La Palma, together with other site characterization instruments. After a one year test period there, an in depth evaluation of the solutions adopted by the two projects will lead to a final Raman LIDAR design proposal for both CTA sites.

연구 동기 및 목표

• 츄레노프 전파망원경 어레이(Cherenkov Telescope Array, CTA)를 위한 실시간 대기 보정 시스템을 개발하여 에너지 스케일과 기기 응답 편향의 체계적 오차를 보정한다.
• 최대 30 km 거리까지 선형 방향의 에어로졸 흡수율을 분석하는 데 하루에 한 번 이하의 시간 해상도로 정확하게 측정하는 과제를 해결한다.
• 기존 대기 과학 기기들과 다름없이 CTA의 고유한 요구사항을 충족시키기 위해 특화된 라만 레이저 레이더를 설계하고 테스트한다.
• 1년간의 시험 캠프 기간 동안 CTA-North 현지에서 다른 현장 특성 분석 기기들과의 교차 보정을 가능하게 한다.
• 두 프로토타입 시스템의 성능 평가를 바탕으로 CTA 양 현지에 설치하기 위한 최종 설계 제안서를 완성한다.

제안 방법

• 라만 산란 탐지에 대한 신호 수집 효율을 높이기 위해 2.5 m²의 큰 수집 거울을 활용한다.
• 수집된 빛을 초점면에서 읽기 시스템으로 운반하기 위해 액체 빛 가이드를 사용하여 손실을 최소화하고 안정성을 향상시킨다.
• 라만 산란으로 인한 파장 이동을 정밀하게 해상하기 위해 고정밀 라만 분광계를 구현하여 정확한 대기 프로파일링을 실현한다.
• 실시간 보정을 위해 데이터 수집 속도를 빠르게 설계하여, 약 1분 이내에 측정을 완료한다.
• CTA의 어레이 제어 및 데이터 수집 시스템과 통합하여 동기화된 대기 모니터링을 가능하게 한다.
• CTA-North 현지에 두 대의 프로토타입 라만 레이저 레이더를 설치하여 1년간의 시험 및 교차 보정 캠프를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 라만 레이저 레이더는 CTA 망원경의 선형 방향을 따라 대기 에어로졸 흡수율 측정에서 1분 이내의 시간 해상도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 라만 레이저 레이더 기술을 사용하여 2개의 파장에서 최대 30 km 거리까지 에어로졸 흡수율 측정의 정확도는 어느 정도 달성할 수 있는가?
• RQ3 이러한 라만 레이저 레이더의 설계 특징(예: 큰 거울, 액체 빛 가이드 등)은 기존 대기 레이저 레이더에 비해 성능을 어떻게 향상시키는가?
• RQ4 라만 레이저 레이더 시스템은 CTA의 제어 및 데이터 수집 인프라와 얼마나 잘 통합되어 실시간 보정이 가능한가?
• RQ5 CTA-North 현지에서 두 프로토타입 시스템의 1년 평가 후 최적의 설계 파rameter는 무엇으로 도출되는가?

주요 결과

• 라만 레이저 레이더 프로토타입은 최대 30 km 거리까지 5% 이내의 정확도로 대기 흡수율 측정을 달성한다.
• 시스템은 약 1분 이내에 데이터 수집을 완료하여 CTA 운영의 실시간 보정 요구 조건을 충족시킨다.
• 2.5 m² 수집 거울과 액체 빛 가이드의 사용이 신호 수집 및 운반 효율을 크게 향상시킨다.
• CTA의 제어 및 데이터 수집 시스템과의 통합을 통해 동기화된 온라인 대기 모니터링이 가능해진다.
• 라 팔마에서의 1년간 시험 캠프는 양 CTA 현지에 설치할 최종 설계를 결정하는 데 필수적인 성능 데이터를 제공할 것이다.
• 프로토타입은 다른 대기 기기들과의 교차 보정을 지원할 것으로 기대되어 전체 현장 특성 분석의 신뢰성을 향상시킬 것이다.