[논문 리뷰] The Photodetector Plane of the 4m Davies Cotton Small Size Telescope for the Cherenkov Telescope Array

V. Boccone, J. A. Aguilar외 5명|arXiv (Cornell University)|2013. 07. 10.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 2인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 케렌코프 망원경 배열(CTA)의 4m 다비스-코튼 소형 망원경(SST)을 위한 대면적 육각형 게이저 모드 암페리피어터 포지티브 포토다이오드(G-APD) 광검출기 플레인(PDP)의 설계 및 특성 분석을 제시한다. PDP는 1296개의 G-APD를 사용하며 활성 면적이 93.6 mm²이며, 용량을 줄이기 위해 4개의 채널로 분할되어 있으며, 470 nm에서 최대 광자 탐지 효율(PDE)이 31±2%에 도달하고, 최적의 오버볼트리지에서 교차 캐리지(crosstalk)가 10% 미만으로 감소되어 달빛 조건에서도 작동 가능하며, PMT보다 향상된 성능을 제공한다.

ABSTRACT

Photomultipliers (PMTs) are currently adopted for the photodetector plane of Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes (IACTs). Even though PMT quantum efficiency has improved impressively in the recent years, one of the main limitation for their application in the gamma-astronomy field - the impossibility to operate with moon light - still remains. As a matter of fact, the light excess would lead to significant and faster camera ageing. Solid state detectors, in particular Geiger-mode avalanche photo-diodes (G-APDs) represent a valuable alternative solution to overcome this limitation as demonstrated in the field by the FACT experiment (The First G- APD Cherenkov Telescope). They can be regarded as a more promising long term approach, which can be easily adopted for the new generation of cameras and for the Cherenkov Telescope Array (CTA). We describe here the Photo-Detector Plane (PDP) of the camera for the 4 m Davies Cotton CTA Small Size Telescopes, for which large area G-APD coupled to non-imaging light concentrators are planned. The PDP includes 1296 photosensors, the biasing and pre-amplification stages, the control electronics as well as the mechanical support and the water- tight enclosure. We developed with Hamamatsu a new large area hexagonal shaped G-APD with an area of 93.6 mm^2. This G-APD is divided into 4 channels which will be summed after the pre-amplification stage to maintain an acceptable time characteristic of the signal. The characterization of this device for 50 um and 100 um micro-cell sizes will be discussed and compared to other non-custom photodetectors.

연구 동기 및 목표

• 고체 상태 검출기를 사용하여 케렌코프 망원경 배열(CTA)의 4m 다비스-코튼 소형 망원경(SST)을 위한 고성능 광검출기 플레인(PDP)을 개발하기 위해.
• 광증폭관(PMT)이 달빛 조건에서 성능이 떨어지는 한계를 극복하기 위해 게이저 모드 암페리피어터 포지티브 포토다이오드(G-APD)를 채택하기 위해.
• 활성 면적이 93.6 mm²인 대면적 육각형 G-APD를 설계하여, 신호 타이밍 성능 향상과 용량 감소를 위해 4개의 채널로 분할하기 위해.
• 사용자 정의 G-APD의 핵심 성능 지표인 광자 탐지 효율(PDE), 교차 캐리지, 암전류 비율을 특성 분석하고, 상용 대안과 비교하기 위해.
• 달빛 조건에서도 안정적이고 낮은 노이즈 성능을 확보하여 고에너지(1–100 TeV) 영역에서 장기간 관측이 가능하도록 하기 위해.

제안 방법

• 하마마츠와 협력하여 50 µm 및 100 µm 마이크로셀 크기를 가진 93.6 mm²의 맞춤형 육각형 G-APD 개발.
• 용량 영향을 최소화하고 신호 타이밍 특성을 유지하기 위해 G-APD를 4개의 채널로 분할.
• 광학 시스템과의 결합을 위해 비이미징 빛 집중기 사용으로 광 수집 효율 극대화.
• 신호 조정 및 제어를 위한 PDP 내부에 프리증폭 및 펌웨이징 스테이지 통합.
• 어두운 수치 비율 및 교차 캐리지 측정을 위해 CAEN V814 저감도 디스크리미네이터와 V560 스케일러를 사용하여 다양한 임계값에서 펄스 높이 분포 분석.
• 형상 조절 증폭기(Ortec NIM)를 적용하여 펄스 폭을 15–20 ns로 감소시켜 최대 15–20 MHz의 고속 트리거 레이트에서의 작동 가능하게 함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 활성 면적이 93.6 mm²인 대면적 육각형 G-APD가 CTA SST의 고에너지 감마선 탐지에 충분한 광자 탐지 효율(PDE)을 확보할 수 있는가?
• RQ2 최적의 오버볼트리지에서 신규 G-APD의 교차 캐리지가 SenSL 및 하마마츠 MPPCs와 같은 상용 대안과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 G-APD 기반 PDP가 PMT의 주요 한계를 극복하고 달빛 조건에서도 안정적인 데이터 수집을 가능하게 하는가?
• RQ4 신규 G-APD의 단위 면적당 어둠의 수치 비율은 얼마이며, 고다이나믹 레인지 작동 조건에서 장치 크기에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ5 4채널 분할 전략이 고채널 수 카메라 시스템에서 신호 왜곡을 효과적으로 줄이고 타이밍 성능을 유지하는가?

주요 결과

• S12516-050 G-APD는 470 nm에서 최대 광자 탐지 효율(PDE)이 (31±2)%에 도달하여 하마마츠 S10985-050 및 µB30035-X13-E15와 유사한 성능을 보였다.
• S12516-100 G-APD는 더 높은 PDE(37.7±1.2)%를 보였지만, 50 µm 버전의 두 배에 달하는 교차 캐리지를 보이며, 1.6 V 오버볼트리지에서 14–22%에 이르렀다.
• 최적의 오버볼트리지(2 V)에서 50 µm G-APD의 교차 캐리지는 10% 이하로 감소하여 100 µm 버전보다 훨씬 낮았고, SenSL 센서의 성능에 가까워졌다.
• SenSL 센서는 매우 낮은 교차 캐리지(<10% at 2 V)를 보였지만, 어둠의 수치 비율이 0.6 MHz/mm²로, 93.6 mm² 장치 기준 약 50 MHz에 이르러 이 응용 분야에 실용적이지 않았다.
• 어둠의 수치 비율을 단위 면적당로 정규화한 결과, S12516-050는 유사한 오버볼트리지 수준에서 SenSL 센서보다 낮은 어둠의 수치 비율을 보였다.
• 실험실 측정 결과, 적절한 펄스 형상 조절을 통해 신규 G-APD 설계가 최대 15–20 MHz의 고속 작동을 지원함을 확인하여, 달빛과 같은 고배경 조건에서도 견고한 성능을 발휘할 수 있음을 입증했다.