[論文レビュー] Technical Performance of the MAGIC Telescopes

J. Cortina, F. Göebel+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 5被引用数 15

ひとこと要約

本論文は、マジックIおよびマジックIIチェレンコフ望遠鏡の技術的アップグレードと性能を提示し、高帯域幅で2–4 GSamples/sのディジタイザ、量子効率が向上した1039ピクセルのカメラ、ステレオスコピック運用といった改良を詳細に記述している。このシステムは感度を2倍に向上させ、エネルギー閾値を低くし、100 GeV未満のガンマ線検出を顕著に向上させた。

ABSTRACT

The MAGIC-I telescope is the largest single-dish Imaging Atmospheric Cherenkov telescope in the world. A second telescope, MAGIC-II, will operate in coincidence with MAGIC-I in stereoscopic mode. MAGIC-II is a clone of MAGIC-I, but with a number of significant improvements, namely a highly pixelized camera with a wider trigger area, improved optical analog signal transmission and a 2-4 GSps fast readout. All the technical elements of MAGIC-II were installed by the end of 2008. The telescope is currently undergoing commissioning and integration with MAGIC-I. An update of the technical performance of MAGIC-I, a description of all the hardware elements of MAGIC-II and first results of the combined technical performance of the two telescopes will be reported.

研究の動機と目的

• 第二の望遠鏡、マジックIIの導入により、非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線天文学の感度とエネルギー閾値を向上させること。
• 100 GeV未満のエネルギー閾値を低下させ、利用可能な赤方偏移範囲を拡大し、パulsar や一時的天体の研究を改善すること。
• 二台の望遠鏡を一致モードで運用するステレオ観測により、背景ノイズの抑制とシャワー再構築の精度向上を図ること。
• 最適化されたトリガおよびリードアウト電子回路により、システムの遅延とデータレートを最小限に抑え、効率的なデータ取得を実現すること。
• 将来のアップグレードを想定し、高量子効率のフォトマルチプライヤーおよびハイブリッドフォトディテクタ（HPD）を導入し、低エネルギー感度を向上させること。

提案手法

• マジックIのほぼ同一の第二望遠鏡、マジックIIを導入し、カメラ設計、信号チェーン、リードアウト電子回路に主な改良を施す。
• 0.1°の視野ピクセルを有する1039ピクセルのカメラと500 MHz帯域幅を採用し、有効トリガーエリアを拡大し、角分解能を向上させる。
• 2–4 GSamples/sで動作する12ビット分解能、1024セルのリングバッファを備えたドミノリングサンプラ（DRS）アナログデジタルコンバータを採用し、高速信号サンプリングを実現する。
• 標準の隣接ピクセル論理に加え、「サムトリガ」を導入し、18ピクセルのグループを合算することで、トリガー閾値を25 GeVまで低下させる。
• 二台の望遠鏡間で時間遅延付きの一致トリガ（レベル3）を導入し、背景ノイズを低減するとともに、データレートを管理可能にする。
• CERNのSリンクプロトコルと9U VMEボードを用い、高スルーレートのデータ送信と保存を実現。PIC（バルセロナ）のデータセンターもマジックIIの要件に合わせてアップグレードされた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二台のマジック望遠鏡を用いたステレオスコピック運用は、単一鏡面運用と比較して、感度とエネルギー分解能をどのように向上させるか？
• RQ2 カメラ、リードアウト、トリガシステムにおける技術的アップグレードは、どのように低いエネルギー閾値と高い感度を実現しているか？
• RQ3 高量子効率フォトマルチプライヤーおよびHPDの使用は、低エネルギーガンマ線検出をどの程度向上させるか？
• RQ4 2–4 GSamples/sのディジタイザと高速信号チェーンは、夜空光による背景ノイズをどのように低減するか？
• RQ5 アップグレードされたトリガシステムは、データレート管理と背景ノイズの抑制にどのような影響を与えるか？

主な発見

• 1039ピクセルのカメラと2–4 GSamples/sのディジタイザを備えたマジックII望遠鏡は、有効トリガーエリアを拡大し、シャワー再構築の精度を向上させた。
• システム全体でエネルギー範囲全域で2倍の感度向上を達成したが、特に100 GeV未満の領域でエネルギー閾値が低下したことで顕著な向上が見られた。
• 「サムトリガ」システムにより、トリガー閾値が25 GeVまで低下し、低エネルギーガンマ線シャワーの検出が可能になった。
• 500 MHz帯域幅の信号チェーンにより、チェレンコフパルスの高速時間的構造が保持され、背景ノイズの抑制に貢献した。
• データ取得システムは最大100 MB/sのスルーレートをサポートし、データはバルセロナにあるPICデータセンターに保存されており、マジックIIの要件に合わせてアップグレードが進行中である。
• マジックIIカメラの第一段階では、ピーク量子効率50％のHPDを搭載した6つの7ピクセルモジュールが設置され、将来的な全HPD統合への道筋が示された。