[论文解读] The Status of the STACEE Observatory

C. E. Covault, L. M. Boone+13 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2001

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 5

一句话总结

STACEE 望远镜台，位于新墨西哥州国家太阳能热能试验设施，利用64面定日镜探测伽马射线空气簇射产生的切伦科夫辐射。凭借2300 m²的总集光面积和先进电子设备，STACEE 实现了低于70 GeV的能量阈值，并可观测到红移 z ~ 1.0 以内的河外源，标志着甚高能伽马射线天文学在以往成像切伦科夫仪器基础上的重要进展。

ABSTRACT

The Solar Tower Atmospheric Cherenkov Effect Experiment (STACEE) is a ground-based instrument designed to study astrophysical sources of gamma radiation in the energy range of 50 to 500 GeV. STACEE uses an array of large heliostat mirrors at the National Solar Thermal Test Facility in Albuquerque, New Mexico, USA. The heliostats are used to collect Cherenkov light produced in gamma-ray air showers. The light is concentrated onto an array of photomultiplier tubes located near the top of a tower. The construction of STACEE started in 1997 and has been completed in 2001. During the 1998-99 observing season, we used a portion of the experiment, STACEE-32, to detect gamma-rays from the Crab Nebula. The completed version of STACEE uses 64 heliostat mirrors, having a total collection area of 2300 m^2. During the last year, we have also installed custom electronics for pulse delay and triggering, and 1 GHz Flash ADCs to read out the photomultiplier tubes. The commissioning of the full STACEE instrument is underway. Preliminary observations and simulation work indicate that STACEE will have an energy threshold below 70 GeV and a reach for extragalactic gamma-ray sources out to redshift of ~1.0. In this paper we describe the design and performance of STACEE.

研究动机与目标

• 开发一种高吞吐量的地面伽马射线观测站，利用太阳能塔设施探测非常高能伽马射线（50–500 GeV）。
• 通过优化光学收集和先进电子设备，实现低于70 GeV的低能量阈值。
• 实现对红移约1.0以内的河外伽马射线源的探测。
• 通过分阶段调试（从 STACEE-32 开始，逐步扩展至完整的 STACEE-64）验证仪器概念。
• 通过改进光学对准、降低反照率以及集成先进触发和读出系统，确保高角分辨率和低本底。

提出的方法

• 利用位于国家太阳能热能试验设施的64面大型定日镜，收集由伽马射线引发的广延空气簇射所产生的切伦科夫光。
• 将收集到的光聚焦至位于中央塔顶部的光电倍增管（PMT）阵列。
• 采用配备1 GHz 闪变ADC和动态脉冲延迟系统的定制电子设备，以提高时间分辨率和触发效率。
• 应用球面波前重构算法，利用时间到数字转换器（TDC）记录的簇射到达时间，确定簇射方向和时间。
• 利用校准激光和月光下的CCD成像，验证PMT位置，并优化定日镜镜面的指向，以实现最大光学透过率。
• 通过在定日镜场表面涂覆深色密封剂，降低反照率，使反照率减少高达50%，从而减少背景光。

实验结果

研究问题

• RQ1 STACEE 探测伽马射线空气簇射的可实现能量阈值是多少？
• RQ2 STACEE 的角分辨率与模拟和设计预期相比如何？
• RQ3 STACEE 的有效工作阈值是多少？它如何限制来自夜天背景的误触发率？
• RQ4 光学对准和反照率降低在切伦科夫探测中对信噪比的提升程度如何？
• RQ5 STACEE 在探测已知天体物理源（如蟹状星云和Markarian 421）方面的性能如何？

主要发现

• 在球面波前重构后，STACEE 的时间残差的均方根时间分辨率达到了1.2 ns，表明时间分辨率极佳，仅受簇射内在涨落限制。
• STACEE 的角分辨率测量值小于0.2°，与模拟和设计规格一致。
• 触发率与甄别阈值曲线显示，在120 mV以上时，误触发背景可忽略不计，此时切伦科夫信号率约为7.5 Hz。
• STACEE-48 的初步模拟结果表明，对于具有 E⁻² 能谱指数的源，天顶角处的能量阈值为120 ± 25 GeV。
• 通过安装1 GHz 闪变ADC，STACEE 预计可实现低于100 GeV的能量阈值，显著提升对低能伽马射线的探测灵敏度。
• 完整的STACEE仪器（64面定日镜，2300 m² 集光面积）现已建成并投入运行，可实现对红移 z ~ 1.0 以内的河外源的连续观测。