The expected characteristics of the Cherenkov telescope TAIGA-IACT equipped with SiPM detectors

封面

如何引用文章

全文:

详细

Monte-Carlo modeling of effective area and count rate of the TAIGA-IACT Cherenkov gamma-ray telescope unit with an upgraded camera based on SiPM OnSemi MicroFJ-60035 detectors and optical filters SL 290-590 and SL 290-590 has been carried out. It has been shown that with the SL 290-590 filter the threshold detection energy of the telescope would be improved compared with its current PMT-based configuration and would reach about 0.4 TeV. With the narrow band UV filter SL 290-590 the estimated threshold would reach about 0.7 TeV, which is a reasonable value for a 10 m2 class IACT, especially because with a SiPM-based telescope it will be possible to carry out observations during moonlit nights and at twilight without a substantial increase of the threshold. One may conclude that an upgraded TAIGA-IACT unit will be an efficient instrument for studies of TeV-band gamma-ray emission of various cosmic objects.

全文:

ВВЕДЕНИЕ

Гамма-телескоп TAIGA-IACT представляет собой массив малоразмерных черенковских телескопов, который функционирует как часть многоцелевой обсерватории TAIGA, расположенной в Тункинской долине респ. Бурятия [1—6]. В 2018—2022 гг. в ФТИ имени А. Ф. Иоффе был разработан новый детекторный кластер (28 пикселов) для телескопа TAIGA-IACT [7—11], основанный на кремниевых фотоумножителях (SiPM) OnSemi MicroFJ-60035. Важной частью разработки нового оборудования является численное моделирование, направленное на определение характеристик телескопа с модернизированной камерой. Такое моделирование выполняется как для отдельных узлов нового кластера [12, 13], так и для телескопа в целом [14, 15] одновременно с конструированием и тестированием детекторного оборудования. В настоящей работе представлены оценки величин эффективной площади TAIGA-IACT, скорости счета и пороговой энергии наблюдений для различных первичных частиц (космических гамма-квантов и протонов космических лучей), полученные в результате численного моделирования.

МОДЕЛИРОВАНИЕ И РЕЗУЛЬТАТЫ

Формирование и распространение черенковского излучения широких атмосферных ливней (ШАЛ) было промоделировано с помощью широко используемого пакета CORSIKA 7.7400 [16], результаты которого часто рассматриваются как эталонные. Было выполнено моделирование ШАЛ от вертикально падающих гамма-квантов и протонов с энергиями 0.3162, 0.5, 0.7, 1.0, 3.162, 10.0, 31.62 ТэВ. Прочие параметры моделирования детально изложены в [15]. Типичный модельный спектр черенковского излучения ШАЛ представлен на рис. 1. Моделирование оптического фона ночного неба было выполнено методом Монте-Карло с помощью оригинального кода TAIGA Soft [15]. Исходные данные для моделирования фона ночного неба (в частности, интегральное значение интенсивности 3 × 1012 фот/м2/с/стер в диапазоне 300—600 нм) были взяты из [17—20]. Детальное описание алгоритма моделирования этого фона дано в [15]. Типичный модельный спектр фона ночного неба также представлен на рис. 1. Моделирование транспорта излучения в оптическом тракте телескопа и работы камеры было выполнено с помощью пакета TAIGA Soft. Подробное описание алгоритма, реализованного в пакете TAIGA Soft, дано в [15]. Единственным качественным отличием проведенного моделирования от алгоритма, описанного в [15], была процедура, позволяющая приближенно учесть сегментную структуру зеркала. Эта процедура включает в себя замену эффективного радиуса зеркала RTeff = (Sm / π)1/2 = 1.75 м (где Sm — площадь отражающей поверхности) реальным радиусом механической конструкции зеркала RT = 2.15 м и розыгрыш попадания фотона в сегмент зеркала в соответствии с условием ζ ≤ Sm / (πRT2), где ζ — случайная величина, однородно распределенная в интервале [0; 1]. Параметры зеркала и механической конструкции телескопа, использованные при моделировании, были взяты из [21]. Были использованы следующие параметры узлов камеры: зависимости коэффициентов пропускания фильтров [22] и эффективности детектирования SiPM [23] от длины волны (см. рис. 1), коэффициент пропускания конусов Уинстона 0.7 (консервативная оценка, основанная на расчетах [13]). В качестве триггера были выбраны следующие условия: превышение порогового сигнала в трех соседних пикселах; значение порогового сигнала было выбрано на уровне 10 фотоэлектронов (ф.э.) при использовании фильтра SL 290-590 и 4 ф.э. при использовании фильтра SL 280-390. Такой выбор обусловлен прежде всего тем, что уровень скорости ложного счета, вызванного фоном ночного неба, должен быть достаточно низким (≤103 Гц), чтобы электроника камеры не была перегружена, но значительная доля (~10%) срабатываний триггера была бы вызвана именно событиями от ШАЛ.

 

Рис. 1. Зависимости профилей от длины волны: 1 — средний спектр черенковского излучения от ШАЛ, вызванного гамма-квантом с энергией 1 ТэВ, нормированный на 100% в максимуме на длине волны ≈330 нм (кривая из длинных штрихов); 2 — пример конкретной реализации спектра фона ночного неба (нормированного на 100% в максимуме на длине волны ≈557 нм), смоделированного методом Монте-Карло (кривая из коротких штрихов); 3 — эффективность детектирования фотонов SiPM OnSemi MicroFJ-60035 (сплошная кривая); 4 — коэффициент пропускания фильтра SL 290-590 (штрихпунктирная кривая); 5 — коэффициент пропускания фильтра SL 280-390 (кривая штрих с двумя точками)

 

Эффективная площадь черенковского телескопа была определена по следующей формуле:

SMCE=2π∫0∞PE,rrdr,

где P(E, r) — вероятность детектирования первичной частицы с энергией E на расстоянии r от оси ШАЛ, оцененная методом Монте-Карло [15].

Результаты расчетов эффективной площади и аппроксимации этих результатов представлены на рис. 2. Эти результаты показывают, что эффективные площади триггирования для гамма-квантов ожидаемо больше, чем для протонов (для обоих фильтров), причем значение энергии, при котором начинается резкое падение эффективной площади (при уменьшении энергии), для протонов примерно в 2 раза больше, чем для гамма-квантов. Предельное значение эффективной площади на высоких энергиях (≥100 ТэВ) составляет (0.9—1) × 106 м2 для протонов и (1.3—1.4) × 106 м2 для гамма-квантов. Эффективные площади для камеры с фильтром SL 280-390 ожидаемо меньше, чем с фильтром SL 290-590, что обусловлено значительно более узкой полосой пропускания фильтра SL 280-390.

 

Рис. 2. Зависимости эффективных площадей от энергии первичной частицы, полученные методом Монте-Карло, показаны символами, соответствующие аппроксимации — кривыми. Квадраты и сплошная кривая соответствуют результатам для гамма-квантов при использовании фильтра SL 290-590. Ромбы и штриховая кривая соответствуют результатам для протонов КЛ при использовании фильтра SL 290-590. Треугольники, направленные вверх, и штрихпунктирная кривая соответствуют результатам для гамма-квантов при использовании фильтра SL 280-390. Треугольники, направленные вниз, и пунктирная кривая соответствуют результатам для протонов КЛ при использовании фильтра SL 280-390

 

Знание эффективной площади, спектра КЛ [24] и типичных спектров гамма-излучения [25, 26] от космических источников позволяет оценить полные скорости счета как интегралы по энергии от произведения спектрального потока [м–2с–1 ТэВ–1] и эффективной площади, а также пороговые энергии как максимумы этих произведений. Значения скоростей счета (триггирования) черенковского телескопа с камерой на SiPM при использовании фильтра SL 290-590 составляют: ≈212 Гц для ШАЛ от протонов КЛ и ≈0.13 Гц для ШАЛ от гамма-квантов от расположенного в зените источника с потоком 1 Crab Unit [25, 26]. При этом пороговая энергия составляет ≈0.94 ТэВ по триггированию протонов КЛ и ≈0.4 ТэВ по триггированию гамма-квантов. Значения скоростей счета при использовании фильтра SL 280-390 составляют: ≈106 Гц для ШАЛ от протонов КЛ и ≈0.06 Гц для ШАЛ от гамма-квантов. При этом пороговая энергия составляет ≈1.2 ТэВ по триггированию протонов КЛ и ≈0.7 ТэВ по триггированию гамма-квантов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненное моделирование показало, что при выбранных условиях триггирования скорости счета будут достаточно низкими, чтобы электроника камеры TAIGA-IACT не была перегружена. Пороговая энергия регистрации (триггирования) гамма-квантов черенковским телескопом с камерой на SiPM при использовании фильтра SL 290-590 составляет ≈ 0.4 ТэВ. Это значение несколько меньше, чем пороговая энергия текущей конфигурации TAIGA-IACT с камерой на ФЭУ, которая составляет 0.5 ТэВ [27]. Соответствующая пороговая энергия при использовании фильтра SL 280-390 составляет ≈ 0.7 ТэВ. Следует отметить, что такое значение вполне приемлемо для малоразмерных черенковских телескопов (~10 м2) и ухудшение данной характеристики по сравнению с текущей конфигурацией TAIGA-IACT не будет значительным. При этом, в отличие от ФЭУ, которые выходят из строя при избыточной засветке, SiPM устойчивы к избыточной засветке и камера на SiPM может быть использована для проведения наблюдений в лунные ночи и в сумерках. Совместное же применение SiPM и фильтров ближнего УФ-диапазона может значительно (до 30%) увеличить длительность рабочего цикла телескопа с камерой на SiPM по сравнению с рабочим циклом телескопа на ФЭУ (например, [28—30]) без существенного увеличения величины порога (как это приходится делать, в частности, на телескопе FACT в лунные ночи [28]).

Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 19-72-20045). Проведенные исследования могут быть использованы для модернизации УНУ “Астрофизический комплекс МГУ-ИГУ“, осуществляемой в рамках соглашения 13.УНУ.21.0007 между Министерством образования и науки России и Иркутским государственным университетом.

×

作者简介

E. Kholupenko

Ioffe Institute

编辑信件的主要联系方式.
Email: eugene@astro.ioffe.ru
俄罗斯联邦, Saint Petersburg

A. Krasilschikov

Ioffe Institute

Email: eugene@astro.ioffe.ru
俄罗斯联邦, Saint Petersburg

D. Badmaev

Ioffe Institute

Email: eugene@astro.ioffe.ru
俄罗斯联邦, Saint Petersburg

A. Bogdanov

Ioffe Institute

Email: eugene@astro.ioffe.ru
俄罗斯联邦, Saint Petersburg

参考

  1. Буднев Н.М., Иванова А.Л., Калмыков Н.Н. и др. // Изв. РАН. Сер. физ. 2015. Т. 79. № 3. С. 430; Budnev N.M., Ivanova A.L., Kalmykov N.N. et al. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2015. V. 79. No. 3. P. 395.
  2. Астапов И.И., Барбашина Н.С., Богданов А.Г. и др. // Изв. РАН. Сер. физ. 2017. Т. 81. № 4. С. 495; Astapov I.I., Barbashina N.S., Bogdanov A.G. et al. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2017. V. 81. No. 4. P. 460.
  3. Бородин А.Н., Гребенюк В.М., Гринюк А.А. и др. // Изв. РАН. Сер. физ. 2019. T. 83. № 8. С. 1042; Borodin A.N., Grebenyuk V.M., Grinyuk A.A. et al. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2019. V. 83. No. 8. P. 945.
  4. Просин В.В., Астапов И.И., Безъязыков П.А. и др. // Изв. РАН. Сер. физ. 2021. T. 85. № 4. С. 525; Prosin V.V., Astapov I.I., Bezyazeekov P.A. et al. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2021. V. 85. No. 4. P. 395.
  5. Безъязыков П.А., Буднев Н.М., Гресс О.А. и др. // Изв. РАН. Сер. физ. 2019. T. 83. № 8. С. 1099; Bezyazeekov P.A., Budnev N.M., Chernykh D.O. et al. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2019. V. 83. No. 8. P. 998.
  6. Кузьмичев Л.А., Астапов И.И., Безъязыков П.А. и др. // Ядерн. физика. 2018. Т. 81. № 4. С. 469; Kuzmichev L.A., Astapov I.I., Bezyazeekov P.A. et al. // Phys. Atom. Nucl. 2018. V. 81. No. 4. P. 497.
  7. Bogdanov A.A., Tuboltsev Y.V., Chichagov Y.V. et al. // J. Phys. Conf. Ser. 2020. V. 1697. No. 1. Art. No. 012015.
  8. Богданов А.А., Тубольцев Ю.В., Чичагов Ю.В. и др. // ЖТФ. 2021. Т. 91. № 5. С. 821; Bogdanov A.A., Tubol’tsev Y.V., Chichagov Y.V. et al. // J. Tech. Phys. 2021. V. 66. No. 5. P. 699.
  9. Bogdanov A.A., Tuboltsev Y.V., Chichagov Y.V. et al. // J. Phys. Conf. Ser. 2021. V. 2103. No. 1. Art. No. 012026.
  10. Kuleshov D.O., Simonyan V.A., Bogdanov A.A. et al. // J. Phys. Conf. Ser. 2021. V. 2103. No. 1. Art. No. 012036.
  11. Bogdanov A.A., Repman G.A., Tubol’tsev Y.V. et al. // St. Petersburg State Polytechn. Univ. J. Phys. Math. 2023. V. 16. No. 1.2. P. 410.
  12. Bogdanov A.A., Kholupenko E.E., Tuboltsev Y.V., Chichagov Y.V. // Latv. J. Phys. Tech. Sci. 2020. V. 57. No. 1-2. P. 13.
  13. Антонов А.С., Богданов А.А., Красильщиков А.М., Холупенко Е.Е. // ЖТФ. 2021. Т. 91. № 11. С. 1601.
  14. Холупенко Е.Е., Красильщиков А.М., Бадмаев Д.В. и др. // ЖТФ. 2020. Т. 90. № 6. С. 925; Kholupenko E.E., Krassilchtchikov A.M., Badmaev D.V. et al. // Tech. Phys. 2020. V. 65. No. 6. P. 886.
  15. Холупенко Е.Е., Бадмаев Д.В., Антонов А.С. и др. // ЖТФ. 2021. Т. 91. № 12. С. 1930; Kholupenko E.E., Badmaev D.V., Antonov A.S. et al. // Tech. Phys. 2022. V. 67. No. 2. P. 80.
  16. Heck D., Knapp J., Capdevielle J.N. et al. CORSIKA: a Monte Carlo code to simulate extensive air showers. Karlsruhe: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, 1998.
  17. Leinert C., Bowyer S., Haikala L.K. et al. // Astron. Astrophys. Suppl. 1998. V. 127. P. 1.
  18. Benn C.R., Ellison S.L. // New Astron Rev. 1998. V. 42. No. 6—8. P. 503.
  19. Mikhalev A.V., Medvedeva I.V., Beletsky A.B., Kazimirovsky E.S. // J. Atmos. Sol-Terr. Phys. 2001. V. 63. No. 9. P. 865.
  20. Mirzoyan R., Lorenz E. // Int. Rep. HEGRA collaboration. MPI-PhE/94-35, 1994.
  21. Budnev N., Astapov I., Bezyazeekov P. et al. // J. Phys. Conf. Ser. 2016. V. 718. No. 5. Art. No. 052006.
  22. Забудько М.А. Спецификации фильтров SL 280-390 и SL 290-590. ФОТООПТИК, 2021.
  23. https://www.onsemi.com/pub/Collateral/MICROJ-SERIES-D.PDF.
  24. Alfaro R., Alvarez C., Alvarez J.D. et al. // Phys. Rev. D. 2017. V. 96. No. 12. P. 122001.
  25. Nigro C., Deil C., Zanin R. et al. // Astron. Astrophys. 2019. V. 625. Art. No. A10.
  26. Abeysekara A.U., Albert A., Alfaro R. et al. // Astrophys. J. 2019. V. 881. No. 2. P. 134.
  27. Tluczykont M., Budnev N., Astapov I. et al. // Proc. Magellan Workshop: Connecting Neutrino Physics and Astronomy, Deutsches Elektronen-Synchrotron, DESY: Magellan Workshop (Hamburg, 2016). P. 1.
  28. Knoetig M.L., Biland A., Bretz T. et al. // Proc. 33th ICRC. 2013. V. 33. P. 1132.
  29. Griffin S., VERITAS Collaboration // Proc. 34th ICRC. 2015. V. 34. P. 989.
  30. Guberman D., Cortina J., Garcia R. et al. // Proc. 34th ICRC. 2015. V. 34. P. 1237.

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
下载
2. Fig. 1. Dependences of the profiles on the wavelength: 1 - average spectrum of Cherenkov radiation from the SHAL caused by a gamma-quantum with an energy of 1 TeV, normalised by 100% at the maximum at a wavelength of ≈330 nm (curve of long dashes); 2 - an example of a specific realisation of the spectrum of the night sky background (normalised by 100% at the maximum at a wavelength of ≈557 nm) modelled by the Monte Carlo method (curve of short dashes); 3 - photon detection efficiency of OnSemi MicroFJ-60035 SiPM (solid curve); 4 - transmission coefficient of SL 290-590 filter (dashed curve); 5 - transmission coefficient of SL 280-390 filter (dashed curve with two dots)

下载 (224KB)
索引源数据
3. Fig. 2. Dependences of effective areas on the primary particle energy obtained by the Monte Carlo method are shown by symbols, the corresponding approximations - by curves. Squares and solid curve correspond to the results for gamma rays using the SL 290-590 filter. Rhombuses and dashed curve correspond to the results for CL protons when using the SL 290-590 filter. The upward pointing triangles and the dashed curve correspond to the results for gamma rays when using the SL 280-390 filter. The triangles pointing downwards and the dashed curve correspond to the results for CL protons using the SL 280-390 filter

下载 (154KB)
索引源数据

版权所有 © Russian Academy of Sciences, 2024

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».