[论文解读] The Photodetector Plane of the 4m Davies Cotton Small Size Telescope for the Cherenkov Telescope Array

V. Boccone, J. A. Aguilar+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用 3

一句话总结

本文介绍了为切伦科夫望远镜阵列（CTA）中的4米戴维斯-考特尼小型望远镜（SST）所设计并表征的大面积六边形盖革模式雪崩光电二极管（G-APD）光探测器平面（PDP）。该PDP采用1296个G-APD，有效面积为93.6 mm²，划分为四个通道以降低电容，实现了在470 nm波长下31±2%的峰值光子探测效率（PDE），串话在最佳过压条件下低于10%，从而支持月光条件下的运行，并在性能上优于传统PMT。

ABSTRACT

Photomultipliers (PMTs) are currently adopted for the photodetector plane of Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes (IACTs). Even though PMT quantum efficiency has improved impressively in the recent years, one of the main limitation for their application in the gamma-astronomy field - the impossibility to operate with moon light - still remains. As a matter of fact, the light excess would lead to significant and faster camera ageing. Solid state detectors, in particular Geiger-mode avalanche photo-diodes (G-APDs) represent a valuable alternative solution to overcome this limitation as demonstrated in the field by the FACT experiment (The First G- APD Cherenkov Telescope). They can be regarded as a more promising long term approach, which can be easily adopted for the new generation of cameras and for the Cherenkov Telescope Array (CTA). We describe here the Photo-Detector Plane (PDP) of the camera for the 4 m Davies Cotton CTA Small Size Telescopes, for which large area G-APD coupled to non-imaging light concentrators are planned. The PDP includes 1296 photosensors, the biasing and pre-amplification stages, the control electronics as well as the mechanical support and the water- tight enclosure. We developed with Hamamatsu a new large area hexagonal shaped G-APD with an area of 93.6 mm^2. This G-APD is divided into 4 channels which will be summed after the pre-amplification stage to maintain an acceptable time characteristic of the signal. The characterization of this device for 50 um and 100 um micro-cell sizes will be discussed and compared to other non-custom photodetectors.

研究动机与目标

• 为切伦科夫望远镜阵列（CTA）中的4米戴维斯-考特尼小型望远镜（SST）开发高性能光探测器平面（PDP），采用固态探测器。
• 通过采用盖革模式雪崩光电二极管（G-APDs）克服光电倍增管（PMTs）在月光条件下的局限性。
• 设计一种大面积极、六边形的G-APD，有效面积为93.6 mm²，划分为四个通道以改善信号时间特性并降低电容。
• 表征定制G-APD的关键性能指标——光子探测效率（PDE）、串话和暗计数率，并与商用替代品进行比较。
• 通过在月光条件下实现稳定、低噪声的性能，实现高能段（1–100 TeV）的长期观测。

提出的方法

• 与滨松公司合作，开发定制的93.6 mm²六边形G-APD，微单元尺寸分别为50 µm和100 µm。
• 将G-APD划分为四个通道，以最小化电容效应并保持信号时间特性。
• 使用非成像聚光器将G-APD与望远镜光学系统耦合，以最大化光收集效率。
• 在PDP中集成前置放大和偏置电路，用于信号调理和控制。
• 采用CAEN V814低阈值判别器和V560计数器，通过分析不同阈值下的脉冲幅度分布来测量暗计数率和串话。
• 应用整形放大器（Ortec NIM）将脉冲宽度压缩至15–20 ns，支持高达15–20 MHz的触发速率。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有93.6 mm²有效面积的大面积六边形G-APD能否在CTA SST中实现高能伽马射线探测所需的足够光子探测效率（PDE）？
• RQ2 在最佳过压条件下，新G-APD的串话性能与商业替代品（如SenSL和滨松MPPCs）相比如何？
• RQ3 基于G-APD的PDP能否在月光条件下实现稳定的数据采集，从而克服PMT的关键局限性？
• RQ4 新G-APD的单位面积暗计数率是多少？其在大尺寸器件中如何随面积变化，以支持高动态范围运行？
• RQ5 四通道分割策略是否能有效减少信号失真，并在高通道数相机系统中保持时间性能？

主要发现

• S12516-050 G-APD在470 nm波长下实现了(31±2)%的峰值光子探测效率（PDE），与商用滨松S10985-050和µB30035-X13-E15器件相当。
• S12516-100 G-APD的PDE更高，达到(37.7±1.2)%，但其串话为50 µm版本的两倍，在1.6 V过压下达到14–22%。
• 在最佳过压（2 V）下，50 µm G-APD的串话低于10%，显著低于100 µm版本，并接近SenSL传感器的性能。
• SenSL传感器的串话极低（2 V时低于10%），但其暗计数率为0.6 MHz/mm²，导致93.6 mm²器件的估算暗计数率高达50 MHz，因此在此应用中不切实际。
• 通过归一化单位面积暗计数率发现，其随器件面积呈比例增长；在相同过压水平下，S12516-050的暗计数率低于SenSL传感器。
• 实验室测量结果证实，新G-APD设计在适当脉冲整形下可支持高达15–20 MHz的高速运行，从而在月光等高背景条件下实现稳健性能。