[论文解读] The Calibration System of the HAWC Gamma-Ray Observatory

H. A. Ayala Solares, Michael Gerhardt+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2015

Particle Detector Development and Performance参考文献 1被引用 6

一句话总结

本文介绍了用于高海拔宇宙线观测站（HAWC）伽马射线观测站的激光校准系统，该系统可在7个数量级的动态范围内，对1,200个光电倍增管（PMTs）实现精确的电荷与时间校准。通过使用532 nm脉冲激光、中性光学密度滤光片及光纤，系统实现了亚纳秒级时间分辨率和优于1个光电子（PE）的电荷校准精度，经占用率（occupancy）与时间积分（ToT）方法验证，并通过阵列中PMT响应的一致性得到确认。

ABSTRACT

The HAWC collaboration has recently completed the construction of a gamma-ray observatory at an altitude of 4100 meters on the slope of the Sierra Negra volcano in the state of Puebla, Mexico. In order to achieve an optimal angular resolution, energy reconstruction, and cosmic-ray background suppression for the air showers observed by HAWC, it is crucial to obtain good timing and charge calibrations of the photosensors in the detector. The HAWC calibration is based on a laser system which is able to deliver short light pulses to all the tanks in the array. The light intensity can range over 7 orders of magnitude, broad enough to cover all the dynamic range of the PMT readout electronics. In this contribution we will present the HAWC calibration system, together with the methods used to calibrate the detector.

研究动机与目标

• 为HAWC伽马射线观测站的300个水契伦科夫探测器（WCDs）开发一种稳健且可扩展的校准系统。
• 在7个数量级的动态范围内，实现从0.1至1,000多个光电子（PEs）的PMT电荷校准精度。
• 确保亚纳秒级时间分辨率，以实现广延空气簇射方向的精确重建。
• 通过电荷与时间响应分布的自动分析，识别并标记PMT异常值。
• 通过使用激光光源和参考仪器的可重复、可追溯的校准程序，维持探测器长期稳定性。

提出的方法

• 532 nm脉冲激光（能量45 µJ，脉宽300 ps）通过光纤网络、耦合器和开关将光信号传输至所有WCDs。
• 中性光学密度滤光片提供超过7个数量级的光强衰减，使校准范围覆盖从1 PE至数千PE。
• 低光强校准时采用占用率方法：$<n_{\text{PE}}>=-\ln(1-\eta)$，其中$\eta$为观测到的激光事件比例。
• 在较高光强下，采用低PE数据进行线性拟合$<n_{\text{PE}}>=A(I/I_{\text{ref}})+B$，以外推电荷响应。
• 采用时间积分（ToT）方法重建脉冲幅度；通过ToT的非线性函数对时间偏移进行校正，以补偿阈值穿越时间对脉冲幅度的依赖性。
• 利用簇射重建数据迭代最小化时间残差，经三次迭代后实现0.1 ns的时间精度，并应用天顶对准校正。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用单一激光系统对HAWC阵列中全部1,200个PMTs进行7个数量级动态范围内的校准？
• RQ2 在PMT响应全范围内，将ToT测量值转换为绝对电荷（以PE为单位）的最优方法是什么？
• RQ3 尽管存在光路差异与脉冲幅度影响，如何在所有PMT通道中实现亚纳秒级时间分辨率？
• RQ4 为补偿PMT的时间漂移及相对于空气簇射前峰的时间残差，需要进行哪些系统性修正？
• RQ5 如何实现自动化异常值检测，以识别故障或异常行为的PMT？

主要发现

• 激光校准系统成功覆盖了超过7个数量级的光强动态范围，可实现从1 PE至1,000多个PE的校准。
• 占用率方法在低光强下提供精确的电荷校准，公式$<n_{\text{PE}}>=-\ln(1-\eta)$在PE数低于2时结果一致。
• 线性外推模型$<n_{\text{PE}}>=A(I/I_{\text{ref}})+B$能准确扩展校准至高光强范围，经单光电子脉冲（SPE）和标准差分布一致性验证。
• 时间残差校正过程经三次迭代后实现0.1 ns的时间精度，且对天顶方向性能额外应用了对准校正。
• SPE分布的平均值对8英寸和10英寸PMT均约为1 PE，证实了校准精度。
• 通过SPE与标准差分布的4-sigma截断法有效识别出异常PMT，实现了自动化质量控制。