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Research Collection
Doctoral Thesis
Development of new Geiger mode avalanche photodiodes for the
observation of pulsars with the MAGIC telescope
Author(s):
Britvitch, Ilia
Publication Date:
2008
Permanent Link:
https://doi.org/10.3929/ethz-a-005672578
Rights / License:
In Copyright - Non-Commercial Use Permitted
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ETH Library
Diss. ETH No. 17799
Development of new Geiger Mode
Avalanche Photodiodes for the
Observation of Pulsars with
the MAGIC Telescope.
A dissertation submitted to
ETH Zurich
for the degree of
Doctor of Natural Sciences
presented by
Ilia Britvitch
Dipl. Phys., Moscow Engineering Physics Institute (State University)
born February 4th 1974
citizen of Russia
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. F. Pauss, examiner
Prof. Dr. E. Lorenz, co-examiner
Dr. D. Renker, co-examiner
2008
Abstract
The main experimental tools in ground–based gamma–ray astronomy are Imaging Air Cherenkov Telescopes that allow to detect the faint Cherenkov light flashes from air showers induced
by cosmic particles.
Observations of the Crab Nebula have proved to be the best tool to calibrate and to characterize the performance of a Cherenkov telescope. Scientifically, it is interesting to measure the
energy spectrum of the Crab Nebula close to the inverse-Compton peak where a deviation is
expected from the power law seen at energies above 200 GeV. Additionally, it is important to
search for pulsed emission from the Crab Pulsar at energies beyond the 10 GeV upper limit of
the EGRET pulsar detection. Since current models predict a cut-off in pulsed emission between
10 and 100 GeV, measurements at energies close to this range may help to discriminate between
them.
This thesis reports on very high energy γ-ray observations of the Crab Nebula with the
MAGIC telescope. Within the observation time and the experimental resolution of the telescope,
the γ–ray emission is steady and point-like. The emission’s center of gravity coincides with the
position of the pulsar. Pulsed γ–ray emission from the pulsar could not be detected. The cutoff
energy of the pulsed spectrum is to be less than 50 GeV, assuming that the differential energy
spectrum has an exponential cutoff.
During recent years Geiger mode avalanche photodiodes (GAPDs) have been developed. They
offer many advantages like single photon response, high detection efficiency, high gain at low bias
voltage and very good timing properties. First tests of GAPD to detect Cherenkov light from
cosmic particle induced air showers have been done. The motivation for this study stems from
the requirement to improve the sensitivity of large imaging atmospheric Cherenkov telescopes
by replacing the photomultipliers tubes by high detection efficiency GAPDs. Three tests have
been carried out, sufficiently confirming high light sensitivity of blue-sensitive GAPDs as future
replacement of photomultipliers tubes in imaging atmospheric Cherenkov telescopes.
The MAGIC telescope has been designed for the observation of Cerenkov light generated in
Extensive Air Showers initiated by cosmic particles. However, its 17 m diameter mirror and
optical design makes the telescope suitable for direct optical observations as well. This work
reports on the development of a system based on GAPD array for optical observations. GAPD
detector has been placed in the center of the MAGIC camera. A data acquisition system with
single photon counting resolution has been developed in order to register the optical light from
the Crab Nebula pulsar. The performance of the system using the optical pulsation of the Crab
Nebula as to validate GPS time-stamping and barycentric techniques and to obtain an upper
limit for the pulsed emission at gamma-ray energies is presented.
Zusammenfassung
Zu den wichtigsten Werkzeugen der bodengebundenen Gammastrahlen-Astronomie gehören
sogenannte abbildendende Cherenkov Teleskope, die den Nachweis des schwachen, durch Kosmische Strahlung in der Atmosphäre verursachten Cherenkov-Lichtes ermöglichen. Beobachtungen
des Krebs-Nebels sind ein wichtiges Werkzeug zur Kalibration und Charakterisierung der Leistungsfähigkeit eines Cherenkov Teleskops. Die Messung des Energiespektrums der vom KrebsNebel emittierten Gamma-Strahlung im Bereich des sogenannten inversen Compton Peaks ist
von grossem wissenschaftlichem Interesse. Für Gamma-Energien im Bereich des inversen Compton Peaks wird eine Abweichung vom Potenzgesetz erwartet, mit dem das Energiespektrum für
Gamma-Strahlung oberhalb von 200 GeV beschrieben werden kann. Des weiteren ist die Suche
nach periodisch emittierter Gamma-Strahlung im Energiebereich oberhalb der von EGRET Messungen abgeleiteten 10 GeV-Obergrenze sehr wichtig. Da gegenwärtige Pulsar-Modelle einen
Abbruch in der gepulsten Emission der Gamma-Strahlung im Energiebereich zwischen 10 GeV
und 100 GeV vorhersagen, sind Messungen nahe dieses Energiebereichs wichtig, um Modelle
ausschliessen und modifizieren zu können.
Diese Thesis befasst sich mit der Beobachtung von Gamma-Strahlung höchster Energien
des Krebs-Nebels mit dem MAGIC Teleskop. Innerhalb der Beobachtungszeit und der experimentellen Auflösung des Teleskops ist die Emission der Gamma-Strahlung zeitlich konstant
und die Quelle im Krebnebel punktförmig. Der rekonstruierte Schwerpunkt der beobachteten
Gamma-Strahlung stimmt mit der nominellen Position des Pulsars im Krebs-Nebel überein.
Gepulste Emission konnte nicht nachgewiesen werden. Die gepulste Emission von GammaStrahlung muss deshalb bei Energien unterhalb von 50 GeV stattfinden, unter der Annahme,
dass das Energiespektrum einen exponentiellen Abbruch hat.
In den letzten Jahren wurden sogenannte Geiger Mode Avalanche Photodioden (GAPDs)
entwickelt. GAPDs haben viele Vorteile, wie zum Beispiel eine hervorragende Sensitivität
für einzelne Photoelektronen, eine hohe Nachweis-Effizienz und eine hohe Verstärkung bei gleichzeitig niedriger Bias Spannung sowie sehr stabile Ausgangssignale. Erste erfolgreiche Tests
unter Verwendung von GAPDs zum Nachweis von Cherenkov-Licht in ausgedehnten Luftschauern
wurden mit GAPDs vorgenommen. Diese Tests sind motiviert durch das Ziel, die Sensitivität
von abbildenden Cherenkov Teleskopen zu verbessern. Dies soll erreicht werden, indem die
gegenwärtig eingesetzten Photomultiplier durch hochsensitive GAPDs ersetzt werden. Unter
Verwendung von Blau-sensitiven GAPDs wurden drei Tests durchgeführt, die eine ausreichend
hohe Sensitivität der GAPDs bestätigen und diese damit zu einer Alternative der Photomultiplier machen.
Das MAGIC Teleskop wurde zum Nachweis von Cherenkov Licht entwickelt, welches in ausgedehnten, von Kosmischen Teilchen generierten Luftschauern entsteht. Sein 17 m-Spiegel und
seine Konstruktion machen das MAGIC Teleskop ausserdem für direkte, optische Beobachtungen nutzbar. Diese Arbeit berichtet über die Entwicklung eines auf GAPDs basierenden Detektors für direkte optische Beobachtungen. Der Detektor wurde im Zentrum der Kamera des
MAGIC Teleskops platziert. Um die während der optischen Beobachtungen registrierten Daten
zu erfassen, wurde ein leistungsfähiges Datenerfassungssystem entwickelt, welches die Auflösung
einzelner Photoelektronen erlaubt.