Tim Niggemann

215 Pages·2016·12.4 MB·English

by  Tim Niggemann,

THE SILICON PHOTOMULTIPLIER TELESCOPE
FAMOUS
FOR THE DETECTION OF FLUORESCENCE LIGHT
Von der Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften der
RWTH Aachen University zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Naturwissenschaften genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Tim Niggemann, M.Sc. RWTH
aus Neuwied
Berichter: Universitätsprofessor Dr. rer. nat. Thomas Hebbeker
Privatdozent Dr. rer. nat. Oliver Pooth
Tag der mündlichen Prüfung: 31.10.2016
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfügbar.

“Thehistoryofastronomyisa
historyofrecedinghorizons”
(EdwinPowellHubble,1936)

Abstract
The faint fluorescence light of extensive air showers produced by cosmic rays is traditionally
detected by means of optical telescopes equipped with photomultiplier tubes. Since these de-
vices are fragile, the prototype telescope FAMOUS has been built to investigate the versatility
ofsiliconphotomultiplierswhosephotondetectionefficiencysurpassesthequantumefficiency
of photomultiplier tubes. In this thesis, the 61 pixel telescope FAMOUS has been successfully
commissioned and quantitative measurements of star trails have been performed. Further-
more, detailed simulations, especially for the silicon photomultipliers, have been developed
andvalidatedagainstmeasurementsconductedinthelaboratory.
Zusammenfassung
DasschwacheFluoreszenzlicht,emittiertvonausgedehntenLuftschauern,wirdtraditionellmit
optischen Teleskopen ausgerüstet mit Photomultiplier-Röhren detektiert. Da diese Bauteile
sehrempfindlichsind,wurdedasPrototypteleskopFAMOUSentwickelt,umdieEinsetzbarkeit
vonSilizium-Photomultipliernzuuntersuchen,derenPhoton-Nachweiswahrscheinlichkeitdie
der Röhren übertrifft. In dieser Arbeit wurde das 61 Pixel Teleskop FAMOUS erfolgreich in
BetriebgenommenundeinequantitativeMessungvonSternenspurendurchgeführt. DesWeit-
erenwurdendetaillierteSimulationen,imspeziellenfürdieSiliziumPhotomultiplier,entwick-
eltundmitLabormessungenverglichen.
v

Contents
Abstract v
1 Introduction 11
2 Cosmic rays 15
2.1 Energyspectrum. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2 Accelerationmechanismsofcosmicrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3 Chemicalcomposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4 Extensiveairshowers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3 The fluorescence detection technique 27
3.1 Fluorescenceyield. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2 Nightskybrightness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3 ThePierreAugerObservatory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4 Silicon photomultipliers 43
4.1 P-njunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.2 Geiger-modeavalanchephotodiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.3 Temperaturedependenceofthebreakdownvoltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.4 Photondetectionefficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.5 Noisephenomena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.6 Dynamicrange. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5 The silicon photomultiplier simulation G4SiPM 59
5.1 IntroductiontoGeant4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.2 G4SiPMobjectclasses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.3 SiPMmodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.4 ValidationoftheG4SiPMmodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.5 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6 Baseline design and commissioning of FAMOUS 89
6.1 Fresnellens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.2 Focalplane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.3 Powersupplyunit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
6.4 Readoutelectronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.5 Nightskycamera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
vii
Contents
6.6 Environmentalsensorsunit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.7 ThesevenpixelprototypeFAMOUS-7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
7 Detector simulation of FAMOUS 121
7.1 Ray-tracingsimulationsofFAMOUS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
7.2 Telescopesimulationparameterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
7.3 Extensiveairshowersimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
8 The slow control of FAMOUS 149
8.1 Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
8.2 Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
8.3 Nightskycamera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
9 Measurement of star trails with FAMOUS 163
9.1 Stellarsourcespectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
9.2 Airmass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
9.3 TransmittanceoftheatmosphereoftheEarth. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
9.4 Absorptionduetoaerosols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
9.5 Expectedphotonflux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
9.6 MeasurementofthecurrentflowthroughtheSiPMs . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
10 Conclusion and outlook 185
References 189
Appendices 207
1 Luigi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
2 HEALPix. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
3 Hexagonalgrids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
4 Hammersleypointpicking. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
Declaration of pre-released partial results 213
Acknowledgments 215
viii