[논문 리뷰] Photodetection Aspects of JEM-EUSO and Studies of the Ultra-High Energy Cosmic Ray Sky

C. Blaksley|arXiv (Cornell University)|2014. 06. 23.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 5인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 초고에너지우주선(UHECR)을 대기 형광을 통해 탐지하기 위한 우주 기반 관측소인 JEM-EUSO의 광검출 시스템과 캘리브레이션 기술을 제시한다. 단일 광전자 수세기와 캘리브레이션된 Hamamatsu PMT를 사용하고, 새로운 낮은 불확도 캘리브레이션 방법을 적용함으로써 PMT 효율의 불확도를 약 3%로 줄여, 우주 기반 광방출 쇄도에서 UHECR의 정밀한 에너지 측정이 가능해졌다.

ABSTRACT

In this thesis, an introduction to the Ultra-High Energy Cosmic Ray (UHECR) field is given, including air shower physics, UHECR astrophysics, and experimental techniques. The current questions in UHECR physics are mentioned, along with the experimental challenges encountered in the field. The physics of air fluorescence is also presented, and the JEM-EUSO experiment is introduced in detail. The original contributions in this thesis are divided into experimental work on photodetection aspects of JEM-EUSO and phenomenological studies of UHECR composition and source statistics. A comprehensive introduction to photomultiplier tubes (PMTs) and single photoelectron counting are given, and the measurement of PMT efficiency with an uncertainty of a few percent is discussed in detail. An experimental setup for measuring the air fluorescence yield is also introduced, and tests of the EUSO-Balloon high voltage power supply prototype are presented. A setup for sorting the JEM-EUSO PMTs is developed, including the assembly and calibration of data acquisition hardware and the development of acquisition and analysis software. This system is used to perform an absolute calibration of the EUSO-Balloon focal surface, along with measurements of the PMT pixel width and dead-space. In the phenomenological part of this work, it is shown that a distribution of source maximum energies must be considered in order to understand the energy spectrum and the composition of UHECRs. The number of sources which can be expected to contribute to the UHECR sky is also studied, finding that on the order of 1 source(s) contributes more than 50% of the flux at 100 EeV.

연구 동기 및 목표

• 초고에너지우주선(UHECR)을 탐지하기 위한 우주 기반 관측소인 JEM-EUSO에 고정밀 광검출 시스템을 개발하여, 초고에너지우주선의 에너지 재구성 정확도를 향상시키는 것.
• NIST 광다이오드와 적합한 영역을 이용한 절대 캘리브레이션 기법을 통해 광증폭관(PMT) 효율 캘리브레이션의 불확도를 약 10%에서 약 3%로 감소시키는 것.
• 빠른 스위칭 기능을 갖춘 저전력 고전압 Cockcroft-Walton 전원 공급장치를 설계하고 테스트하여 PMT 시스템의 다이내믹 레인지 제어를 가능하게 하는 것.
• 각 소자 셀(EC)의 단일 광전자 이득과 효율 측정을 바탕으로 PMT를 정렬하는 절차를 구현하여 137개의 광검출 모듈 간의 균일성을 확보하는 것.
• EUSO-Balloon 경로 탐사 미션을 통해 캘리브레이션 및 시스템 성능을 검증하여 JEM-EUSO 설계의 실현 가능성을 뒷받침하는 것.

제안 방법

• 3% 미만의 불확도로 Hamamatsu R11265-M64 다중애노드 PMT의 절대 양자 효율을 측정하기 위해 통합 영역과 캘리브레이션된 NIST 광다이오드를 사용한 이중 빔 방법을 적용하였다.
• 좁고 안정된 빛 빔을 정의하기 위해 3 mm 디아프램과 두 개의 정밀 콘덴서(0.3 mm 출구 핀홀, 23.5 mm 및 64 mm 길이)를 사용하여 PMT 캘리브레이션을 수행하였다.
• 3단계 래더 회로를 갖춘 Cockcroft-Walton 고전압 전원 공급장치(HVPS)를 설계하고 테스트하여 각 소자 셀(EC)의 조절 가능한 이득과 저전력 소비를 가능하게 하였다.
• PMT 광음극에 빠른 전압 스위칭 회로(마이크로초 응답)를 구현하여 대기 형광 신호의 10^6 다이내믹 레인지에 대응하는 것.
• 고유의 ASIC를 통합하여 프리앰프를 구현하여 픽셀 간 이득 차이(최대 20%)와 EC 간 차이(최대 4배)를 보정함으로써 포커스 표면 전체에서 균일한 반응을 확보하였다.
• 단일 광전자 반응 기반으로 5,000개 이상의 PMT를 측정하고 정렬하는 데이터 수집 시스템을 구현하여, 이득과 효율이 일치하는 PMT를 선별하여 EC 조립에 활용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 JEM-EUSO에서 사용되는 다중애노드 PMT의 절대 효율을 3% 미만의 불확도로 측정할 수 있는가?
• RQ2 대기 형광 신호의 강도 변화가 10^6에 이르는 다이내믹 레인지에 대응하기 위해 PMT의 다이내믹 레인지 확장을 어떻게 실현할 수 있는가?
• RQ3 저전력 소비와 빠른 이득 제어 기능을 갖춘 우주 기반 운영에 적합한 고전압 전원 공급장치의 최적 설계는 무엇인가?
• RQ4 픽셀 간 및 EC 간 보정을 위해 PMT 이득과 효율을 충분한 정밀도로 측정할 수 있는가?
• RQ5 ISS에 배치되기 전에 EUSO-Balloon 경로 탐사 미션을 통해 캘리브레이션 시스템을 어떻게 검증할 수 있는가?

주요 결과

• 절대 PMT 효율 캘리브레이션의 정밀도가 약 3% 이내의 불확도를 달성하여 기존의 일반적인 방법 대비 크게 향상되었다.
• 통합 영역과 NIST 기반 광다이오드를 사용함으로써 UV 스펙트럼 전역에서 안정적이고 반복 가능하며 절대적인 PMT 양자 효율 캘리브레이션이 가능해졌다.
• Cockcroft-Walton HVPS 프로토타입은 안정적인 저전력 작동과 빠른 스위칭(마이크로초 응답)을 통해 10^6 강도 변화 범위의 PMT 이득을 동적으로 제어하는 데 성공하였다.
• EUSO-Balloon HVPS 프로토타입의 초도 테스트는 CNES Phase B 심사에 통과하여 우주 비행용으로의 설계 타당성을 검증하였다.
• PMT 정렬 절차는 결함이 있는 튜브를 성공적으로 식별하고, 이득과 효율이 일치하는 PMT를 사용하여 EC 조립을 수행함으로써 포커스 표면 전체의 비균일성을 최소화하였다.
• 캘리브레이션 장치는 공기 형광 수율 측정에 성공적으로 적용되었으며, 두 개의 PMT에서 얻은 초도 결과는 일관되고 재현 가능한 단일 광전자 반응을 보였다.