[論文レビュー] The dual-mirror Small Size Telescope for the Cherenkov Telescope Array

Giovanni Pareschi, G. Agnetta+112 more|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 41

ひとこと要約

本論文は、シャクルシュタイン＝コーザー光学構成を用いて、10°の視野角と約2000ピクセルを有するコンactで低コストなカメラを実現する、チェレンコフ望遠鏡アレイ（CTA）向けの二重ミラー小型望遠鏡（SST）の設計および開発を提示する。革新点は、4 mの主鏡径で、マルチアンプフォトマルチプライヤー（MAPM）またはシリコンフォトマルチプライヤー（SiPM）を用いて、高エネルギーガンマ線（1–300 TeV）の検出を可能にし、高い角度分解能と低スケールを実現することで、効率的でスケーラブルかつ低コストのイメージングを実現することにある。

ABSTRACT

In this paper, the development of the dual mirror Small Size Telescopes (SST) for the Cherenkov Telescope Array (CTA) is reviewed. Up to 70 SST, with a primary mirror diameter of 4 m, will be produced and installed at the CTA southern site. These will allow investigation of the gamma-ray sky at the highest energies accessible to CTA, in the range from about 1 TeV to 300 TeV. The telescope presented in this contribution is characterized by two major innovations: the use of a dual mirror Schwarzschild-Couder configuration and of an innovative camera using as sensors either multi-anode photomultipliers (MAPM) or silicon photomultipliers (SiPM). The reduced plate-scale of the telescope, achieved with the dual-mirror optics, allows the camera to be compact (40 cm in diameter), and low-cost. The camera, which has about 2000 pixels of size 6x6 mm^2, covers a field of view of 10°. The dual mirror telescopes and their cameras are being developed by three consortia, ASTRI (Astrofisica con Specchi a Tecnologia Replicante Italiana, Italy/INAF), GATE (Gamma-ray Telescope Elements, France/Paris Observ.) and CHEC (Compact High Energy Camera, universities in UK, US and Japan) which are merging their efforts in order to finalize an end-to-end design that will be constructed for CTA. A number of prototype structures and cameras are being developed in order to investigate various alternative designs. In this contribution, these designs are presented, along with the technological solutions under study.

研究の動機と目的

• 1〜300 TeVのエネルギー範囲のガンマ線を検出可能な、コスト効率が良く、高性能な小型望遠鏡（SST）をチェレンコフ望遠鏡アレイ（CTA）向けに開発すること。
• 南アフリカのCTAサイトに最大70台のSSTを設置可能な、コンパクトで低コストなカメラを用いて、約10°の広視野角と高い角度分解能を達成する課題に対処すること。
• 二重ミラー光学系と先進的な固体状態センサー（SiPM/MAPM）を活用することで、従来の単一ミラー設計の制限を克服し、望遠鏡1台あたりのコストを500,000ユーロ以下に抑えること。
• シュバルツシルト＝コーザー構成により焦点距離とスケールを最小限に抑えることで、大角度のオフアックス位置でも広視野の空気シャワー像を撮影可能にすること。
• ASTRI、GATE、CHECの3つのコンsortiumが統合された、CTA用に統一されたエンドツーエンドのSST設計を実現すること。

提案手法

• 大視野角での像収差を補正するため、二重ミラーのシュバルツシルト＝コーザー（SC）光学構成を採用し、有効焦点距離を短縮し、スケールを低減すること。
• 直径約40 cmのコンパクトなカメラを設計し、10°の視野角をカバーする約2000ピクセル（1ピクセルサイズ6×6 mm²）を、マルチアンプフォトマルチプライヤー（MAPM）またはシリコンフォトマルチプライヤー（SiPM）をセンサーとして使用すること。
• MAPMの背後にプリアンプ基板を設置し、通常10⁵程度の低増幅モードを可能にし、信号整形を実施することで、高背景光子率下でも性能を向上させること。
• MAPMから前面電子回路（FEE）への信号配線を実現するため、ねじれリボンケーブル構造を有する機械的フレームを採用し、2方向の曲げを可能にすることで、焦点面の正確な位置決めを可能にすること。
• ナノ秒レベルのタイミング精度を有するFPGAベースのトリガーシステム（BEE）を実装し、すべてのFEEモジュールでナノ秒未満の遅延補正が可能であり、高レートの背景光子からのイベント再構築を信頼性高く実現すること。
• 機械的プロトタイプ作成段階で熱的モデリングを実施し、繰り返しカメラの移動に耐えうる安定した性能を確保するとともに、外部構造の冷却および防水設計を最適化すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二重ミラーのシュバルツシルト＝コーザー望遠鏡設計は、カメラサイズとコストを低減しつつ、10°の視野角で十分な角度分解能と像質を達成できるか？
• RQ2 SiPMまたはMAPMセンサーの使用により、CTA南アフリカサイトに70台のSSTを設置可能な、コンパクトで低コストかつ高性能なカメラを実現できるか？
• RQ3 熱的および動的荷重下でも安定的で正確かつ耐久性のある焦点面位置決めを実現するための機械的および電子的ソリューションとして何が必要か？
• RQ4 ASTRI、GATE、CHECのコンsortiumの取り組みを統合することで、性能、コスト、技術的実現可能性のバランスを取った、単一の統一されたエンドツーエンド設計を達成できるか？
• RQ5 SSTカメラにおけるMAPMとSiPM技術の間には、コスト、性能、スケーラビリティの観点からどのようなトレードオフがあるか？

主な発見

• 二重ミラーのシュバルツシルト＝コーザー構成により、スケールが低減され、10°の視野角と約2000ピクセル（1ピクセル6×6 mm²）を有する直径約40 cmのコンパクトなカメラが実現可能となった。
• SiPMまたはMAPMセンサーの使用により、低コスト、低消費電力、スケーラブルなカメラ設計が可能となり、1台あたりの望遠鏡コストを500,000ユーロ以下に抑える可能性が得られた。
• プロトタイプの機械的構造は、曲面焦点面支持とねじれリボンケーブルによる柔軟な信号配線を成功裏に実装し、MAPMの正確な位置決めを可能にした。
• FPGAベースのトリガーシステムはナノ秒レベルのタイミング精度とナノ秒未満の遅延補正を達成し、高レートの背景光子からの信頼性の高いイベント再構築を可能にした。
• 機械的プロトタイプ段階での熱的モデリングにより、繰り返しカメラ移動や環境変化に耐えうる安定した電子的性能を維持できることが確認された。
• ASTRI、GATE、CHECのコンsortiumが統合された設計作業により、標準化され最適化され、建設可能であるSSTソリューションがCTA南アフリカサイト向けに実現された。