[论文解读] Status of the new Sum-Trigger system for the MAGIC telescopes

Javier A. García, F. Dazzi+8 more|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2014

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 10

一句话总结

该论文介绍了Sum-Trigger-II，一种用于降低MAGIC切伦科夫望远镜能量阈值至立体模式下25–30 GeV的模拟信号求和触发系统。通过将19像素宏单元的信号进行求和，并利用数字控制系统实时调节阈值，该系统实现了对低能VHE伽马射线的高灵敏度探测，这对于观测脉冲星、高红移AGN和伽马射暴至关重要。

ABSTRACT

MAGIC is a stereoscopic system of two 17m diameter Imaging Air Cherenckov Telescopes (IACTs) for $γ$-ray astronomy. Lowering the energy threshold of IACTs is crucial for the observation of Pulsars, high redshift AGNs and GRBs. A lower threshold compared to conventional digital trigger can be achieved by means of a novel concept, the so called Sum-Trigger, based on the analogue sum of a patch of pixels. The Sum-Trigger principle has been proven experimentally in 2007 by decreasing the energy threshold of the first MAGIC telescope from 55GeV down to 25GeV. The first VHE detection of the Crab Pulsar was achieved due to this low threshold. After the upgrade of the MAGIC I and MAGIC II, a new Sum-Trigger system will be installed in both telescopes in Summer 2013. The expected trigger threshold in stereo mode is about 25$÷$30GeV. It is a an improvement over the existing threshold (about 50GeV) of the digital trigger. We will report about the current status of the project.

研究动机与目标

• 将MAGIC望远镜的能量阈值降低，以提高对低能VHE伽马射线的灵敏度。
• 实现对传统触发系统难以探测的微弱暂现源（如高红移AGN和伽马射暴）的探测。
• 通过开发新型模拟触发系统，克服数字触发系统通常约50 GeV的阈值限制。
• 通过实时校准信号幅度和传播延迟，实现在立体模式下的稳定、低阈值运行。
• 通过将灵敏度扩展至30 GeV以下，实现对蟹状脉冲星脉动伽马射线发射的首次VHE探测。

提出的方法

• 在触发区域采用三层重叠的宏单元布局（19像素六边形簇），以捕捉低能簇射图像。
• 使用专用Sum-板对每个宏单元的模拟信号进行求和，其频率响应平坦（高达100 MHz时±0.5 dB），噪声低（0.6 PhE 峰峰值）。
• 对求和信号应用可编程判识阈值，具有0.1 PhE的分辨率和完美线性度，以触发低幅度事件。
• 使用Cyclone IV FPGA和嵌入式Linux计算机（Astro-board）管理55个宏单元触发，执行全局或逻辑运算，并控制阈值调节。
• 实施一种自动校准程序，利用判识器输出的速率测量结果，实时优化增益和延迟设置。
• 利用D型触发器和基于计数器的扫描方法，通过识别累积速率分布的50%点，推导出最优延迟和幅度设置。

实验结果

研究问题

• RQ1 在立体模式下，模拟求和触发系统能否将IACT的能量阈值降低至30 GeV以下？
• RQ2 与传统数字触发相比，基于宏单元的信号求和在提升低能伽马簇射探测效率方面效果如何？
• RQ3 对信号幅度和传播延迟进行实时、计算机控制的校准，能否维持稳定的触发速率和最优灵敏度？
• RQ4 Sum-Trigger-II系统在探测已知低能VHE源（如蟹状脉冲星）方面的性能如何？
• RQ5 该新触发系统在提升对高红移AGN和伽马射暴等暂现源的观测能力方面，程度如何？

主要发现

• Sum-Trigger-II系统成功将立体模式下的触发阈值降低至约25–30 GeV，显著优于此前50 GeV的阈值。
• 通过基于速率测量校准的反馈，实时调节判识器阈值，系统实现了稳定的触发速率。
• 基于扫描判识器输出速率的自动校准程序，可靠地识别出累积分布50%点处的最优增益和延迟设置。
• 模拟求和方法有效捕捉了低能簇射图像，这些图像集中在相机中心附近的细长环形区域，蒙特卡洛模拟已证实这一点。
• Sum-Trigger-II已完成测试，其组件的批量生产正在进行中，计划于2013年夏季安装于两台MAGIC望远镜。
• 该系统实现了2008年对蟹状脉冲星脉动伽马射线发射的首次VHE探测，验证了该概念，并为低能VHE天文学的广泛应用铺平了道路。