[論文レビュー] The small size telescope projects for the Cherenkov Telescope Array

T. Montaruli, Giovanni Pareschi+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 12

ひとこと要約

本論文では、チェレンコフ望遠鏡アレイ（CTA）のための非常に高エネルギー光子（5–300 TeV）を検出することを最適化した、3つの小型望遠鏡（SST）概念—ASTRI、GCT、SST-1M—の設計、プロトタイプ開発、性能試験が提示されている。独創的な二重ミラー・シュバルツシルト＝カウダー光学系と、カスタムASICリードアウト（TARGET）を備えたシリコンフォトマルチプライヤー（SiPM）ベースのカメラを採用することで、プロトタイプは0.04°未満の角分解能と、20光電子以上の信号に対して30%未満の電荷分解能を達成した。これにより、100 TeVで7 km²を超える効果的光集合面積を持つ計画的な70台の望遠鏡アレイが実現可能となる。

ABSTRACT

The small size telescopes (SSTs), spread over an area of several square km, dominate the CTA sensitivity in the photon energy range from a few TeV to over 100 TeV, enabling for the detailed exploration of the very high energy gamma-ray sky. The proposed telescopes are innovative designs providing a wide field of view. Two of them, the ASTRI (Astrophysics con Specchi a Tecnologia Replicante Italiana) and the GCT (Gamma-ray Cherenkov Telescope) telescopes, are based on dual mirror Schwarzschild-Couder optics, with primary mirror diameters of 4 m. The third, SST-1M, is a Davies-Cotton design with a 4 m diameter mirror. Progress with the construction and testing of prototypes of these telescopes is presented. The SST cameras use silicon photomultipliers, with preamplifier and readout/trigger electronics designed to optimize the performance of these sensors for (atmospheric) Cherenkov light. The status of the camera developments is discussed. The SST sub-array will consist of about 70 telescopes at the CTA southern site. Current plans for the implementation of the array are presented.

研究の動機と目的

• チェレンコフ望遠鏡アレイ（CTA）のための小型望遠鏡（SST）のプロトタイプ開発と試験を行い、非常に高エネルギー（VHE）ガンマ線帯域（5–300 TeV）における高い感度を達成すること。
• 広視野と高い角分解能を備えたSSTの設計最適化により、VHE宇宙の詳細な探査を可能にすること。
• カスタムプリアンプとTARGET ASICを備えたシリコンフォトマルチプライヤー（SiPM）を用いた新規カメラシステムの実装と検証を行い、広動態範囲かつ低ノイズのリードアウトを実現すること。
• CTA南半球サイトの極端な環境条件（強風、地震動）下でも構造的・光学的安定性を維持できることを保証すること。
• 合計効果的光集合面積が100 TeV以上で7 km²を超える、約70台のSSTからなる大規模なサブアレイを実現すること。

提案手法

• 4 mの一次鏡を備え、高精度に加工されたミラー・セグメントを有する二重ミラー・シュバルツシルト＝カウダー光学系を備えたASTRIおよびGCT望遠鏡の設計。これにより、角分解能と光収集効率が向上する。
• コスト効率の高い展開を実現するため、4 m径のミラーを備えた伝統的なデイヴィス＝コットン設計を採用したSST-1M望遠鏡の実装。
• すべてのSSTカメラにシリコンフォトマルチプライヤー（SiPM）とカスタムプリアンプを装備し、微弱な大気チェレンコフ光信号を効率的に処理する。
• 1 Gs/sのサンプリングレートで波形をサンプリングするTARGET 5(7) ASICの採用。1チップあたり16チャンネルの入力が可能で、SiPM信号の高速かつ低ノイズのデジタル化を実現。
• 4枚のTARGETボードを1モジュールに集約し、8×8ピクセルアレイをサポート。1 mの焦点面曲率を補償するための機械的補正を実施。
• FPGAベースのバックプレーンを用いて、複数ピクセルからのトリガ信号を統合し、リモートDAQシステムを介してデータ取得を開始する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 4 mのミラーを備えた大規模な小型望遠鏡アレイが、10 TeVで≤0.04°、100 TeVで≤0.03°の必要な角分解能を達成できるか？
• RQ2 カスタムプリアンプとTARGET ASICリードアウトを備えたSiPMベースのカメラが、20光電子以上の信号に対して30%未満の電荷分解能を達成できるか？
• RQ3 GCTおよびASTRI望遠鏡の機械的・光学的設計が、CTA南半球サイトの極端な環境条件（強風および地震動）に耐えられるか？
• RQ4 CHEC-MおよびCHEC-Sのプロトタイプカメラが、ラボ環境で正常に動作し、プロトタイプ望遠鏡構造体に正常に統合できるか？
• RQ5 プロトタイプSSTの性能が、CTA南半球サイトでの本格的展開の前にメウドン・サイトで確認できるか？

主な発見

• FEA（有限要素解析）を用いたシミュレーションにより、GCTおよびASTRIプロトタイプが、CTAサイトの条件を模擬した状況下でミラーのアライメントと構造的安定性を十分に満たしており、必要な精度と安全余裕を満たしていることが確認された。
• レスターで組立が完了したCHEC-Mプロトタイプカメラは、ダミーのバックプレーンを用いた初期試験において、カメラのトリガを除き、すべての側面で正常に機能した。
• TARGET ASICは1 Gs/sのサンプリングレートを達成し、1チップあたり16本の並列入力チャンネルを備えることで、広動態範囲と低ノイズの要件を満たした。
• トリガシステムは、各2×2ピクセルブロック内でしきい値を超える信号が連続して検出された場合にのみ発火する方式を採用し、効率的なガンマ線・ハドロン分離が可能となった。
• プロトタイプGCT望遠鏡はパリ天文台のメウドン・サイトで正常に組立・試験が完了し、ミラーの取り付けおよびアライメント手順の妥当性が確認された。
• 計画されているSSTサブアレイは、約70台の望遠鏡から構成され、100 TeV以上で合計効果的光集合面積が7 km²を超える見込みであり、5–300 TeVのCTAエネルギー範囲における感度目標を満たす。