[논문 리뷰] Development of a strategy for calibrating the novel SiPM camera of the SST-1M telescope proposed for the Cherenkov Telescope Array

I. Al Samarai, Cyril Martin Alispach외 37명|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 01.

Particle Detector Development and Performance참고 문헌 1인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 Cherenkov Telescope Array (CTA)의 SST-1M 망원경에 탑재된 신개념 SiPM 카메라를 위한 완전 자동화된 소프트웨어 호환 캘리브레이션 전략을 제시한다. 펄스형 및 연속형 LED 소스를 갖춘 카메라 테스트 세트(CTS)를 사용하여 단일 피그먼트 파rameter인 이득, 기준값, 어둠이 있는 카운트 비율, 교차 캐리지 등을 캘리브레이션한다. 이 방법은 5.6 LSB/p.e.의 이득과 평균 8%의 교차 캐리지로 높은 정밀도를 달성하였으며, 몬테카를로 시뮬레이션과 실제 데이터를 통한 검증을 통해 3 TeV 이상의 고에너지 감마선 천문학에서 견고한 대규모 생산 및 온라인 캘리브레이션을 가능하게 한다.

ABSTRACT

CTA will comprise a sub-array of up to 70 small size telescopes (SSTs) at the southern array. The SST-1M project, a 4 m-diameter Davies Cotton telescope with 9 degrees FoV and a 1296 pixels SiPM camera, is designed to meet the requirements of the next generation ground based gamma-ray observatory CTA in the energy range above 3 TeV. Silicon photomultipliers (SiPM) cameras of gamma-ray telescopes can achieve good performance even during high night sky background conditions. Defining a fully automated calibration strategy of SiPM cameras is of great importance for large scale production validation and online calibration. The SST-1M sub-consortium developed a software compatible with CTA pipeline software (CTApipe). The calibration of the SST-1M camera is based on the Camera Test Setup (CTS), a set of LED boards mounted in front of the camera. The CTS LEDs are operated in pulsed or continuous mode to emulate signal and night sky background respectively. Continuous and pulsed light data analysis allows us to extract single pixel calibration parameters to be used during CTA operation.

연구 동기 및 목표

• Cherenkov Telescope Array (CTA)의 SST-1M 망원경 SiPM 카메라를 위한 확장 가능하고 자동화된 캘리브레이션 전략을 개발하기 위해.
• 전용 테스트 세트를 사용하여 고야외 천체배경( NSB) 조건에서도 신뢰할 수 있는 단일 피그먼트 캘리브레이션을 보장하기 위해.
• 남부 CTA 어레이에 최대 70대의 SST-1M 망원경을 대상으로 대규모 생산 검증 및 온라인 캘리브레이션을 가능하게 하기 위해.
• 이득, 기준값, 어둠이 있는 카운트 비율, 교차 캐리지와 같은 핵심 카메라 파라미터를 높은 정밀도로 특성화하기 위해.
• CTS로부터의 몬테카를로 시뮬레이션과 실제 데이터를 사용하여 캘리브레이션 방법을 검증하기 위해.

제안 방법

• 캘리브레이션 전략은 카메라 앞에 위치한 각 피그먼트당 두 개의 LED(한 개는 펄스형, 한 개는 연속형)를 갖춘 카메라 테스트 세트(CTS)를 사용하여 구현된다.
• 펄스형 LED 자극은 사진전자(p.e.) 스펙트럼과 다중 p.e. 스펙트럼을 겹쳐 측정함으로써 이득 캘리브레이션을 가능하게 한다.
• 연속형 LED 자극은 야간 천체배경(NSB)을 모의하여 다양한 조도 수준에서 이득 감소와 기준값 이동을 측정할 수 있도록 한다.
• 캘리브레이션 파이프라인은 CTA 파이프라인 소프트웨어(CTApipe)와 호환되어 CTA 전체 데이터 감소 프레임워크에 통합된다.
• 교차 캐리지 확률을 포함한 일반화된 포아송 모델을 사용하여 SiPM 반응을 모델링함으로써 기존 방법보다 정확도를 향상시킨다.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 시스템적 오차를 연구하고, 어둠이 있는 카운트와 교차 캐리지를 주입하여 캘리브레이션 파라미터에 미치는 영향을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CTA의 SST-1M 망원경 SiPM 카메라를 위한 완전 자동화되고 확장 가능한 캘리브레이션 전략은 어떻게 개발할 수 있는가?
• RQ2 어둠이 있는 카운트와 교차 캐리지가 캘리브레이션 중 이득, 기준값, 노이즈 측정 정확도에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 교차 캐리지 확률을 포함한 일반화된 포아송 모델은 기존 방법에 비해 SiPM 반응을 얼마나 잘 기술하는가?
• RQ4 증가하는 NSB 수준에서의 이득 감소 효과가 캘리브레이션 정확도에 미치는 영향은 어느 정도이며, 이를 어떻게 완화할 수 있는가?
• RQ5 신호 재구성 및 모델링되지 않은 영향으로 인한 시스템적 오차는 최종 캘리브레이션 파라미터에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 캘리브레이션 전략는 이득이 5.6 LSB/p.e.이며, 이론적 이득에 대한 너비 대 이득 비율(σn/G)이 1 이하로 유지되어 이득 측정의 높은 정밀도를 확보한다.
• 평균 교차 캐리지 확률은 8%로 측정되었으며, 일반화된 포아송 모델은 기존 방법보다 낮은 값을 보여 정확도 향상을 확인한다.
• 마이크로셀 커패시턴스는 84.44 fF로 측정되었으며, 하마마츠에서 제공한 값인 85 fF와 매우 잘 일치한다.
• 10 kΩ의 바이어스 저항을 2.4 kΩ로 교체함으로써 NSB 하에서의 이득 감소가 64%에서 88%로 감소하여 월광 관측 시 성능 향상이 뚜렷하다.
• 몬테카를로 시뮬레이션 결과 어둠이 있는 카운트와 교차 캐리지가 이득 측정에 미치는 영향은 미미하지만, 기준값 및 노이즈 파라미터에 영향을 미치며 대부분의 경우 1σ 오차 범위 내에서의 풀링을 보였다.
• CTApipe에 통합된 캘리브레이션 파이프라인은 CTA 어레이 전반에서 호환성과 재현 가능성을 보장하여 대규모 배포 및 온라인 캘리브레이션을 지원한다.