Development of a SiPM camera for detection and measurement of fluorescence emission from extensive air-showers generated by ultra high energy cosmic rays

Diese Arbeit behandelt die Entwicklung, Charakterisierung und Kalibrierung von SiECA,
der “SIlicon photomultiplier Elementary Cell Add-on“ Fluoreszenzkamera. Diese Kamera
wurde entwickelt für einen Einsatz zur Erkennung der Fluoreszenzsignatur von ausgedehn-
ten Luftschauern, welche bei Kollisionen von ultrahochenergetischer kosmischer Strahlung
mit der Erdatmosphäre entstehen.
Insbesondere die Korrekturmechanismen um eine uniforme Photondetektorfläche zu
erreichen und die Bestimmung der absoluten Photosensitivität wurden detailliert analysiert.
Diese Arbeit ist überwiegend experimentell-technisch orientiert mit der astrophysikalischen
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Motivation, den Betrieb von SiPM (Silicon Photomultiplier) als Teil von geplanten Weltraum-
teleskopen für kosmische Strahlung, zum Beispiel das Extreme Universe Space Observatory
(EUSO) oder das Probe Of Extreme Multi-Messenger Astrophysics (POEMMA), zu untersu-
chen.
SiECA ist ein Machbarkeitsnachweis für aktuell verfügbare Komponenten, wie Sensoren,
ASICs und Unterstützungselektroniken und damit ein Prototyp für zukünftige Fluoreszenz-
kameras. Die Bewertung der derzeit verfügbaren Komponenten gibt einen Einblick in die
notwendigen technologischen Fortschritte, die für die erfolgreiche Entwicklung größerer,
auf kleinste Lichtmengen sensitiver Kamerasysteme mit schneller Auslese in der Zukunft
erforderlich sind. In dieser Arbeit werden der Entwicklungsprozess, die Sensorcharakteri-
sierung, der Kamerabau, die Laborprüfung sowie die Möglichkeiten der Kalibrierung und
die Einsätze der Kamera detailliert beschrieben. Entwicklung einer SiPM-Kamera zur Erken-
nung und Messung der Fluoreszenz-Emission von durch ultra-hochenergetische kosmische
Strahlung ausgelöste ausgedehnte Luftschauer. Die Entwicklung von SiECA vom Konzept
bis zum ersten Einsatz an Bord des Ballonteleskops EUSO-SPB1 dauerte nur 18 Monate.
Viele Verbesserungen sind noch erforderlich, dennoch wurden in dieser Arbeit wesentliche
Erkenntnisse über die Eigenschaften aktueller SiPMs und ASICs gewonnen, die in folgender
Arbeit beschrieben werden.

This thesis undertakes the construction and characterization of SiECA, the Silicon pho-
tomultiplier Elementary Cell Add-on camera for use in the detection of the fluorescence
signature of extensive air showers generated by ultra high energy cosmic rays in Earth’s
atmosphere. Specifically, the correction of non-uniformity and assessment of full system
sensitivity are most directly analyzed. This work is predominantly technical and hardware
oriented with the physics motivation of operation of SiPM as part of the orbital cosmic
ray observatory in the Extreme Universe Space Observatory (EUSO) or Probe Of Extreme
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Multi-Messenger Astrophysics (POEMMA) telescopes.
SiECA is a proof of capability for current hardware, sensor, ASIC and support electronics
as well as a prototype for future devices. Assessment of currently available device capabili-
ties provides insight into the necessary technological advancements required for successful
development of larger scale low light sensitive, high speed detection systems in the future.
Within this thesis the design process, sensor characterization, camera construction, labo-
ratory testing and calibration and deployment opportunities are detailed with review of the
successful and problematic events throughout. The development of SiECA from concept to
first deployment on-board the EUSO-SPB1 balloon borne telescope was a mere 18 months.
Many improvements remain to be made, however, substantial understanding of the SiPM
and ASIC characteristics have been gained in this process which I intend to detail in the
following pages.