[论文解读] The IFAE/UAB and LUPM Raman LIDARs for Cherenkov Telescope Array Observatory

A. López-Oramas, Ó. Abril+9 more|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2013

Atmospheric Ozone and Climate参考文献 5被引用 4

一句话总结

IFAE/UAB 和 LUPM 的拉曼 LIDAR 正在为切伦科夫望远镜阵列（CTA）开发，旨在将伽马射线能量重建中的系统不确定度从 20% 降低至 5% 以下。通过使用同轴双波长 Nd-YAG 激光器和大型 1.8 米反射镜，LIDAR 通过弹性散射和拉曼散射测量波长与高度相关的大气消光，从而精确校正切伦科夫光子通量和能量刻度的大气效应。

ABSTRACT

The Cherenkov Telescope Array (CTA) is the next generation of Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes. It will reach a sensitivity and an energy resolution with no precendent in very high energy gamma-ray astronomy. In order to achieve this goal, the systematic uncertainties derived from the atmospheric conditions shall be reduced to the minimum. Different instruments may help account for these uncertainties. The Barcelona IFAE/UAB (acronyms for Institut de Física d'Altes Energies and Universitat Autònoma de Barcelona, respectively) and the Montpellier LUPM (Laboratoire Univers et Particules de Montpellier) groups are building Raman LIDARs, devices which can reduce the systematic uncertainties in the reconstruction of the gamma-ray energies from 20$%$ down to 5$%$. The Raman LIDARs subject of this work have coaxial 1.8 m mirrors with a Nd-YAG laser each. A liquid light-guide collects the light at the focal plane and transports it to the readout system. We are developping a monochromator with the purpose of testing the readout chain of both LIDARs. This device is composed of a system of filters and a photomultiplier, and will be used to study a particular elastic channel. After characterizing the system, we will build a polychromator to collect also the sparse Raman signal and will optimize it to reduce every possible loss of signal. We report on the current status of the LIDARs development and also the latest results on the different characterization tests.

研究动机与目标

• 将切伦科夫望远镜阵列（CTA）中伽马射线能量重建的系统不确定度从约 20% 降低至 5% 以下。
• 通过测量弹性散射和拉曼散射的后向散射光，独立解析消光系数和后向散射系数，以改进大气表征。
• 通过提供实时、高精度的大气透射率数据，实现在非理想大气条件下的运行。
• 开发专用于 CTA 严苛要求（灵敏度、角分辨率和积分时间）的高灵敏度 LIDAR 系统。
• 通过使用单色和多波长光学探测器配合光电倍增管（PMTs），优化弱拉曼信号的信号收集与读出。

提出的方法

• 使用同轴双波长 Nd-YAG 激光器，分别在 1064 nm 和 532 nm 波长发射，以激发大气中的弹性散射和拉曼散射。
• 采用直径 1.8 米的反射镜，其点扩散函数约为 6.5 mm，以在 70° 的孔径角范围内收集后向散射光。
• 通过光导将收集到的光传输至焦点平面探测系统，该系统包含准直透镜和分束镜，以实现波长分离。
• 采用多波长光学探测器，结合干涉滤波片和光电倍增管（PMTs），实现每通道 80% 的信号收集效率。
• 采用双读出模式：直流（DC）记录用于强低空信号，单光电子计数用于弱高空拉曼信号。
• 应用 LIDAR 方程（P(r,λ) = P₀ct₀/2 × β(r,λ)A/r² × e^(-2τ(r,λ))) 建模后向散射功率，并推导出消光系数（τ）和后向散射系数（β）。

实验结果

研究问题

• RQ1 拉曼 LIDAR 系统是否能够在不依赖先验假设的情况下，同时反演大气消光系数和后向散射系数？
• RQ2 与当前的 IACT 系统相比，拉曼 LIDAR 在多大程度上可降低 CTA 中伽马射线能量重建的系统不确定度？
• RQ3 在多波长范围内收集弱拉曼信号时，如何最小化光学探测链中的信号损失？
• RQ4 为实现宽孔径角（70°）下高光谱选择性的 80% 信号收集效率，需要何种光学设计和探测器配置？
• RQ5 结合直流（DC）和单光电子计数的混合读出系统，是否能有效捕捉大气后向散射信号的完整动态范围？

主要发现

• 该拉曼 LIDAR 系统旨在通过实现精确、波长与高度分辨的大气消光测量，将伽马射线能量重建的系统不确定度从约 20% 降低至 5% 以下。
• 多波长光学探测器系统实现了每通道 80% 的信号收集效率，准直和分束镜确保了高光谱选择性。
• 采用双波长激光器（1064 nm 和 532 nm）可同时测量弹性散射和拉曼散射，打破了后向散射系数与消光系数之间的耦合关系。
• LIDAR 系统目前使用商用 LICEL 读出模块，但正在考虑采用定制方案以优化高空单光电子探测的性能。
• 光学系统目前正处于建造阶段，已在实验室试验台上开展初步测试，以验证性能后再部署至 CTA 站点。
• 预计 LIDAR 系统将通过实时大气监测提高 CTA 的观测时间利用率，使数据校正在非理想大气条件下仍可进行。