[论文解读] Photodetection Aspects of JEM-EUSO and Studies of the Ultra-High Energy Cosmic Ray Sky

C. Blaksley|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2014

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 5被引用 3

一句话总结

本论文介绍了JEM-EUSO的光探测系统及其校准技术，JEM-EUSO是一项拟议中的空间站天文台，旨在通过大气荧光法探测超高能宇宙射线（UHECRs）。通过使用经过校准的滨松光电倍增管（PMT）进行单光电子计数，并采用一种新型低不确定度校准方法，该研究将PMT效率的不确定度降低至约3%，从而实现了从空间观测广延大气簇射中对UHECR能量的精确测量。

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.

研究动机与目标

• 为JEM-EUSO——一项基于空间的UHECR观测站——开发高精度光探测系统，以实现对超高能宇宙射线能量的精确重建。
• 通过使用NIST光探测器和积分球的绝对校准技术，将光电倍增管（PMT）效率校准的不确定度从约10%降低至约3%。
• 设计并测试一种低功耗、高电压的考克罗夫特-沃尔顿电源，具备快速切换功能，用于PMT系统中的动态范围控制。
• 基于单光电子增益和效率测量，设计PMT分选程序，确保137个光探测模块之间的均匀性。
• 通过EUSO-Balloon路径验证任务验证校准与系统性能，支持JEM-EUSO设计的可行性。

提出的方法

• 采用双光束法，结合积分球与经校准的NIST光探测器，对滨松R11265-M64多阳极PMT的绝对量子效率进行测量，不确定度低于3%。
• 使用3 mm光阑及两个精密准直器（0.3 mm出射光孔，长度分别为23.5 mm和64 mm），以定义窄而稳定的光束，用于PMT校准。
• 设计并测试了一种三阶段梯形电路的考克罗夫特-沃尔顿高压电源（HVPS），可实现每个基本单元（EC）的增益可调，且功耗低。
• 在PMT光敏面实现快速电压切换电路（微秒级响应），以应对大气光信号10^6量级的动态范围。
• 集成专用ASIC与前置放大器，以均衡像素间增益差异（最高达20%）及EC间差异（最高达4倍），确保焦平面上响应的均匀性。
• 开发了数据采集系统，用于测量并分类超过5,000只PMT的单光电子响应，实现对增益与效率匹配的PMT的筛选，以用于EC组装。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否将JEM-EUSO中使用的多阳极PMT的绝对效率校准不确定度控制在3%以下？
• RQ2 如何扩展PMT的动态范围，以适应大气荧光信号10^6的强度变化？
• RQ3 面向空间运行，何种高压电源设计可在低功耗与快速增益控制之间实现最优平衡？
• RQ4 能否以足够高的精度测量PMT增益与效率，以实现JEM-EUSO焦平面上像素级与EC级的响应均衡？
• RQ5 如何在国际空间站部署前，利用EUSO-Balloon路径验证任务对校准系统进行验证？

主要发现

• 绝对PMT效率校准的不确定度达到约3%，显著优于传统方法通常约10%的不确定度。
• 采用积分球与NIST可追溯光探测器，实现了UV波段内PMT量子效率的稳定、可重复且绝对的校准。
• 考克罗夫特-沃尔顿HVPS原型机表现出稳定、低功耗运行，并具备微秒级响应的快速切换能力，可实现对PMT增益在10^6强度范围内的动态控制。
• EUSO-Balloon HVPS原型机的初步测试已通过CNES阶段B评审，验证了其适用于空间飞行任务的设计。
• PMT分选程序成功识别并剔除缺陷管，实现了增益与效率匹配的PMT用于EC组装，显著降低了焦平面的非均匀性。
• 校准装置已成功应用于测量大气荧光产额，两支PMT的初步结果显示了稳定且可重复的单光电子响应。