Vogler, Patrick E.

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Research CollectionDoctoral ThesisDesign and commissioning of the trigger electronics for a novelGeiger-mode avalanche photodiode based camera for ImagingAtmospheric Cherenkov TelescopesAuthor(s): Vogler, Patrick E.Publication Date: 2015Permanent Link: https://doi.org/10.3929/ethz-a-010568419Rights / License: In Copyright - Non-Commercial Use PermittedThis page was generated automatically upon download from the ETH Zurich Research Collection. For moreinformation please consult the Terms of use.ETH LibraryDISS. ETH NO. 23069Design and commissioning of the triggerelectronics for a novel Geiger-mode avalanchephotodiode based camera for ImagingAtmospheric Cherenkov TelescopesA thesis submitted to attain the degree ofDOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH(Dr. sc. ETH Zurich)presented byPatrick Ernst VoglerMSc. ETH Physicsborn August 1, 1981citizen of Niederrohrdorf, AGaccepted on the recommendation ofProf. Dr. Felicitas Pauss, examinerProf. Dr. Gu¨nther Dissertori, co-examinerProf. Dr. Adrian Biland, co-examiner2015AbstractThe successful operation of large ground-based Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes(IACTs) has opened a new window in astronomy by observing very high-energy (VHE) gammarays in the energy range between 0.1 – 100 TeV, originating from galactic and extragalacticsources. When entering into the atmosphere, the gamma rays initiate the formation of showersof secondary particles that emit Cherenkov light. These short and faint flashes of light canbe measured with IACTs requiring fast and sensitive cameras, which were so far solely basedon Photo-Multiplier tubes (PMTs). When silicon-based semiconductor light sensors, so calledG-APDs, became commercially available, their application as new photo-sensor in the verydemanding field of ground-based gamma ray astronomy, had to be demonstrated. The FirstG-APD Cherenkov Telescope (FACT) was constructed with the aim to operate a full-scaleIACT using a novel camera concept based on G-APDs.To prove that G-APD are a viable alternative for the next generation of IACTs currentlyunder design for the large scale project CTA (Cherenkov Telescope Array, an observatoryfor ground-based gamma-ray astronomy), it was crucial to get a fully functional system in arather short time frame. Therefore, it was not possible to extensively test and calibrate thefull camera system in the laboratory at ETH in Zurich. In autumn 2011, the FACT camerawas shipped to La Palma, Canary Islands (Spain) and installed on a refurbished HEGRACherenkov telescope mount located on the Roque de los Muchachos observatory. On 11October 2011, FACT successfully triggered the first air showers - only hours after installation.This thesis describes in detail the design, construction and commissioning of the trigger sys-tem’s hardware and firmware. The trigger of FACT is based on the analogue sum of triggerpatches consisting of nine adjacent pixels. To each sum, a programmable threshold is applied.Not being able to perform all tests in the laboratory before installation in La Palma requireda detailed analysis and optimization of the trigger system during the commissioning and data-taking phase. As a remedial measure, methods were developed to investigate the trigger usingstandard physics data as well as some special runs taken under non-standard operation modes.These analyses fully confirmed that the functionality and performance of the trigger systemis according to the expectations. Furthermore it also allowed investigating a few remainingirregularities, which are now well understood. In particular, there are a few trigger patchesthat suffer from externally induced noise and distortion, although their effect on standard datataking is negligible. While the trigger was highly uniform from the beginning, the analysisallows to even better flatfielding the trigger threshold for different patches without hardwaremodifications. It could be demonstrated that a simple analogue sum-trigger is sufficient fora G-APD based IACT camera. Furthermore it also could be shown that the problem ofafter-pulses present in cameras based on PMTs is not an issue for the FACT system.iCHAPTER 0. ABSTRACTThe camera is now operating since several years without major problems. So far no per-formance degradation could be detected. Based on the different measurements performed, afew-% stability could be reached by correcting for temperature effects in real time and indepen-dent of light conditions. Based on the experience gained with FACT, possible improvementsfor future similar systems are also proposed.iiZusammenfassungDer erfolgreiche Betrieb von grossen bodengebundenen Cherenkov-Teleskopen, sogenanntenImaging Atmospheric Cherenkov Telescopes (IACTs), hat der beobachtenden Astronomie denneuen Energiebereich der Gammastrahlen im Bereich von 0.1 – 100 TeV erschlossen. Diesesogenannte very high energy (VHE) Gammastrahlung wird sowohl von galaktischen als auchextragalaktischen VHE Gamma-quellen abgestrahlt. Beim Auftreffen von VHE Gammas-trahlung auf die Erdatmospha¨re entstehen Sekunda¨rteilchen welche ausgedehnte Luftschauerbilden. Elektrisch geladene Sekunda¨rteilchen strahlen Cherenkov Licht ab, welches am Bodenin Form von kurzen, schwachen Lichtpulsen mittels Cherenkov-Teleskopen detektiert werdenkann. Diese Teleskope beno¨tigen hierzu sehr schnelle und a¨usserst empfindliche Kameras,welche bisher ausschliesslich auf Photoelektronenvervielfachern, auch PMTs (engl. photo-multiplier tubes) genannt, basierten. Inzwischen sind neuartige Silizium-basierten Halbleiter-Photosensoren, so genannte G-APDs (engl. Geigermode Avalanche Photo-Diode) kommerziellerha¨ltlich, deren Eignung als Photosensoren in den Kameras von Cherenkov-Teleskopen zubeweisen war. Dazu wurde die First G-APD Cherenkov Telescope (FACT) - Kollaborationgegru¨ndet mit dem Ziel eine vollsta¨ndige, auf G-APDs basierte Kamera fu¨r ein Cherenkov-Teleskop zu entwickeln, herzustellen und in einem Teleskop zu betreiben.Um zu zeigen, dass G-APD fu¨r das sich in der Planungsphase befindende grosse Observato-rium fu¨r VHE Gammastrahlung, genannt CTA (Cherenkov Telescope Array, an observatoryfor ground-based gamma-ray astronomy) geeignet sind, stand die Entwicklung unter grossemZeitdruck. Daher waren umfangreiche Tests und die Kalibration der FACT Kamera in denLaboratorien der ETH in Zu¨rich nicht mo¨glich. Im Herbst 2011 wurde die Kamera auf derKanareninsel La Palma (Spanien) in das revidierte HEGRA Cherenkov-Teleskop am dorti-gen Observatorium auf dem Roque de los Muchachos eingebaut. Am 11. Oktober 2011, nurwenige Stunden nach der Montage der Kamera, triggerte FACT bereits die ersten CherenkovLuftschauern.In dieser Dissertation werden Entwicklung und Bau sowie Inbetriebnahme des Triggersystemsder FACT-Kamera beschrieben. Dies umfasst sowohl die Hardware als auch die zugeho¨rigeFirmware. Das Triggersystem der FACT-Kamera basiert auf einem analogen Summentriggermit aus jeweils neun benachbarten Pixeln bestehenden Triggerpatches. Wobei die Trigger-Schwelle der Triggerpatches individuell eingestellt werden ko¨nnen.Da es aus Zeitgru¨nden nicht mo¨glich war, das Triggersystem vor dem endgu¨ltigen Einbauin die Kamera umfassend zu charakterisieren, geschah dies ersatzweise anhand von auf LaPalma erhobenen Physik-Daten. Erga¨nzend wurden diverse technische Messungen mit demgesamten System durchgefu¨hrt und analysiert. Die volle Funktionalita¨t des Triggersystemskonnte so belegt werden. Die wenigen verbleibenden Unregelma¨ssigkeiten, insbesondere einiiiCHAPTER 0. ZUSAMMENFASSUNGpaar wenige, von Rauschen und Sto¨rsignalen betroffene Triggerpatches, beeintra¨chtigen denregula¨ren Beobachtungsbetrieb nur in vernachla¨ssigbarer Weise. Das Triggersystem der FACT-Kamera war von Anfang an a¨usserst homogen. Die Analyse der Daten erlaubte aber noch eineVerbesserung der Homogenita¨t ohne Modifikationen der Hardware. Im weiteren konnte gezeigtwerden, dass bei Verwendung von G-APDs als Photosensoren, ein analoger Summentrigger fu¨reine IACT-Kamera vollsta¨ndig ausreicht. Die befu¨rchteten und von PMT-basierten Kamerasbekannten Probleme durch Nachpulse (Afterpulsing) traten nicht auf.Die FACT-Kamera ist nun schon seit mehreren Jahren im Betrieb, ohne dass dabei schwer-wiegende Probleme auftraten. Eine Reduktion der Empfindlichkeit der G-APDs wurde nichtfestgestellt. Nach Anwendung der notwendigen Temperaturkorekturen in Echtzeit, konnteeine Stabilita¨t im Bereich weniger Prozent u¨ber den gesamten Bereich der Betriebstemper-atur und bei allen Lichtverha¨ltnissen ermittelt werden. Basierend auf diesen Resultaten undden gewonnenen Erfahrungen werden abschliessend verschiedene Vorschla¨ge zur Verbesserunga¨hnlicher, zuku¨nftiger Instrumente pra¨sentiert.iv

Design and commissioning of the trigger electronics for a novel Geiger-mode avalanche photodiode based camera for Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes

https://www.research-collection.ethz.ch/bitstream/20.500.11850/108302/1/eth-48381-01.pdf

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