Improving the HESS-IU Camera Calibration

Μουσάδη, Δέσποινα; Mousadi, Despoina

dc.contributor.author	Μουσάδη, Δέσποινα	el
dc.contributor.author	Mousadi, Despoina	en
dc.date.accessioned	2024-04-01T09:03:31Z
dc.date.available	2024-04-01T09:03:31Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/59075
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.26771
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Gamma-ray astronomy	en
dc.subject	Imaging atmospheric Cherenkov telescopes	en
dc.subject	High Energy Stereoscopic System	en
dc.subject	Calibration	en
dc.subject	NECTAr readout chip	en
dc.title	Improving the HESS-IU Camera Calibration	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Camera calibration	en
heal.classification	Signal processing	en
heal.classification	Pattern recognition	en
heal.classification	Gamma-ray astronomy	en
heal.language	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2023-10-20
heal.abstract	Gamma-ray astronomy, the study of the most energetic form of electromagnetic radiation emitted from cosmic sources, has witnessed significant scientific and engineering accomplishments through the last decades. One of the leading gamma-ray observatories is the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.), an array of five Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes located in Namibia. The telescopes measure the flux of gamma- rays using large mirrors which reflect the Cherenkov light produced by gamma-ray induced elecromagnetic showers on special cameras with pixels consisting of photomultiplier tubes (PMTs). It has been collecting data since 2002, allowing scientists to investigate gamma-rays with very high energies up to 30 TeV. The observatory’s operation is split into two phases: H.E.S.S. Phase I consists of four telescopes with a 12 m mirror diameter, while H.E.S.S. Phase II is characterised by the installation of a fifth 28 m telescope with a lower energy threshold in 2015. In order to decrease the threshold of the array altogether, as well as use newer technologies for more reliable camera performance, the cameras of the four H.E.S.S. I telescopes have been upgraded (HESS-IU). The most important component of the upgrade is the NECTAr readout chip, developed for the next generation observatory, CTA, and first tested on H.E.S.S.. It consists of an analogue memory cyclical buffer, from which values inside a specific readout window are swiftly read out whenever there is an active trigger signal. Since the reliability of the data depends on the proper function of the camera, regular calibration is a fundamental step in achieving the observatory’s scientific goals. In this thesis we propose some improvements in the calibration of the HESS-IU camera. The first one is a method to adjust the position of the readout window of each pixel towards lower energy signals, taking into consideration the intensity of the light pulses from the telescope’s Flat-Fielding unit. The second one is a technique for the calibration of the ratio factor between ADC counts and measured photoelectrons, in other words the gain of each PMT, under the hypothesis that there is a linear relationship between gain and PMT voltage. The two approaches use a global data fitting method, where samples of the intensity or charge of the same pixel are not considered independent and hence are fitted to a function in parallel instead of serially. The efficiency of the proposed schemes has been tested, giving improved time uniformity between telescopes and consistent results with the previously used algorithm, while speeding up and stabilising the relevant calibration processes. Another goal of this work is to show that it is possible to reconstruct incomplete data affected by a mis- calibrated readout window, as was the case after a hardware change. Using special calibration runs with light pulses of different intensities, we parametrise the charge of the whole signal of 16 ns, using the charge measured 9 ns around the peak of the signal. We then deduce reconstruction coefficients which can be used to recover the missing part of the data. The parametrisation is tested using observation data, showing that this approach has a great potential after accounting for real observation conditions (pedestals, night sky background, etc)	en
heal.abstract	Η αστρονομία των ακτίνων γάμμα, η μελέτη της πιο υψηλής ενέργειας μορφής της ηλεκτρομαγνητικής ακτι- νοβολίας που εκπέμπεται από κοσμικές πηγές, έχει δει σημαντικές επιστημονικές και τεχνολογικές επιτυχίες τις τελευταίες δεκαετίες. ΄Ενα από τα κορυφαία αστρονομικά παρατηρητήρια για τις ακτίνες γάμμα είναι το High En- ergy Stereoscopic System (H.E.S.S.), ένα σύστημα πέντε τηλεσκοπίων Cherenkov που βρίσκονται στη Ναμίμπια. Τα τηλεσκόπια μετρούν τη ροή των ακτίνων γάμμα χρησιμοποιώντας μεγάλους καθρέφτες που αντανακλούν το φως Cherenkov, το οποίο παράγεται από τις ηλεκτρομαγνητικές βροχές που προκαλούνται από τις ακτίνες γάμμα, σε ειδικές κάμερες με pixel που αποτελούνται από φωτοπολλαπλασιαστές (PMTs). Το H.E.S.S. λειτουργεί από το 2002, επιτρέποντας στους επιστήμονες να ερευνούν τις ακτίνες γάμμα πολύ υψηλών ενεργειών έως 30 TeV. Η λειτουργία του παρατηρητηρίου χωρίζεται σε δύο φάσεις: Η φάση Ι του H.E.S.S. αποτελείται από τέσσερα τηλεσκόπια με διάμετρο καθρέφτη 12 μέτρων, ενώ η Φάση II του H.E.S.S. χαρακτηρίζεται από την εγκατάσταση ενός πέμπτου τηλεσκοπίου το 2015 με καθρέφτη 28 μέτρων και χαμηλότερο κατώφλι ενέργειας. Για να μειωθεί το κατώφλι του συνόλου των τηλεσκοπίων, καθώς και για να χρησιμοποιηθούν νεότερες τεχνολογίες για την πιο αξιόπιστη απόδοση της κάμερας, οι κάμερες των τεσσάρων τηλεσκοπίων H.E.S.S. I έχουν αναβαθμιστεί (HESS-IU). Το πιο σημαντικό κομμάτι της αναβάθμισης είναι το NECTAr chip, που αναπ- τύχθηκε για το παρατηρητήριο της επόμενης γενιάς, CTA, και δοκιμάστηκε πρώτα στο H.E.S.S.. Αποτελείται από μία αναλογική κυκλική μνήμη, από την οποία τιμές μέσα σε ένα συγκεκριμένο παράθυρο ανάγνωσης δια- βάζονται γρήγορα κάθε φορά που υπάρχει ενεργό σήμα ενεργοποίησης. Καθώς η αξιοπιστία των δεδομένων εξαρτάται από την ορθή λειτουργία της κάμερας, η τακτική βαθμονόμηση αποτελεί ένα θεμελιώδες βήμα για την επίτευξη των επιστημονικών στόχων του παρατηρητηρίου. Σε αυτή τη διπλωματική προτείνουμε κάποιες βελτιώσεις στη βαθμονόμηση της κάμερας HESS-IU. Η πρώτη είναι μια μέθοδος για τη ρύθμιση της θέσης του παραθύρου ανάγνωσης του κάθε pixel υπέρ χαμηλότερων ενεργειακά σημάτων, λαμβάνοντας υπόψη την ένταση των φωτεινών παλμών από τη μονάδα Flat-Fielding του τηλεσκοπίου. Η δεύτερη είναι μια τεχνική για τη βαθμονόμηση του παράγοντα μετατροπής μεταξύ των ADC counts και των μετρημένων φωτοηλεκτρονίων, δηλαδή του κέρδους του κάθε PMT, με την υπόθεση ότι υπάρχει γραμμική σχέση μεταξύ του κέρδους και της τάσης του PMT. Οι δύο προσεγγίσεις χρησιμοποιούν μια global fitting μέθοδο για τα δεδομένα, όπου δείγματα της έντασης ή του φορτίου του ίδιου pixel δεν θεωρούνται ανεξάρτητα και συνεπώς γίνονται fitted σε μια συνάρτηση παράλληλα αντί για σειριακά. Η αποτελεσματικότητα των προτεινό- μενων τακτικών έχει δοκιμαστεί, δίνοντας βελτιωμένη χρονική ομοιομορφία μεταξύ των τηλεσκοπίων και συνεπή αποτελέσματα σε σχέση με τον προηγουμένως χρησιμοποιούμενο αλγόριθμο, ενώ επιταχύνει και σταθεροποιεί τις σχετικές διαδικασίες βαθμονόμησης. ΄Ενας άλλος στόχος αυτής της εργασίας είναι να δείξει ότι είναι δυνατόν να ανακατασκευάσουμε ατελή δεδομένα που έχουν επηρεαστεί από ένα λανθασμένα βαθμονομένο παράθυρο ανάγνωσης, όπως συνέβη μετά από μια αλλαγή στο υλικό της κάμερας. Χρησιμοποιώντας ειδικά runs βαθμονόμησης με φωτεινούς παλμούς διαφορετικής έν- τασης, παραμετροποιούμε το φορτίο ολόκληρου του σήματος 16 ns, χρησιμοποιώντας το φορτίο που μετρήθηκε 9 ns γύρω από την κορυφή του σήματος. Στη συνέχεια εξάγουμε τους συντελεστές ανακατασκευής που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανάκτηση του ελλιπούς μέρους των δεδομένων. Αυτή η παραμετροποίηση δοκιμάστηκε χρησιμοποιώντας δεδομένα από πραγματικές παρατηρήσεις, δείχνοντας ότι αυτή η προσέγγιση έχει καλές προοπ- τικές, αφού ληφθούν υπόψη οι συνθήκες στις οποίες γίνονται οι παρατηρήσεις (θόρυβος, υπόβαθρο νυχτερινού ουρανού κ.α.).	el
heal.advisorName	Μαραγκός, Πέτρος	el
heal.committeeMemberName	Μαραγκός, Πέτρος	el
heal.committeeMemberName	Ποταμιάνος, Γεράσιμος	el
heal.committeeMemberName	Τζαφέστας, Κωνσταντίνος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών. Τομέας Σημάτων, Ελέγχου και Ρομποτικής	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	115 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false