39
CTA Ref : TPCSPECS/110331a CTA EDMS id : Edition : 1.0 Date: June 7, 2011 Level A: Preliminary CTA System Performance Requirements Page : 1/25 Level A: Preliminary CTA System Performance Requirements Author Laboratory Approved by Laboratory Konrad Bernlöhr (konrad.bernloehr@mpihd.mpg.de) Oscar Blanch Bigas ([email protected]) Rodolfo Canestrari ([email protected]) Carlos Delgado ([email protected]) Andreas Förster (andreas.foerster@mpihd.mpg.de) German Hermann (german.hermann@mpihd.mpg.de) Jim Hinton ([email protected]) Bruno Khélifi ([email protected]) Giovanni Pareschi ([email protected]) Richard White ([email protected]) plus members of the CTA Design Study Work Packages German Hermann (Technical Coordinator), March 31 st , 2011 Project Committee, June 7, 2011 Applicable Documents No. Version Ref. Date Title 1 1.0 TPCSPECS/110331c 20110607 Reference Documents for Preliminary CTA Performance Requirements Level A and B History Edition Date Observation 0.0 20110331 New document 1.0 20110607 Correction of few typos Distribution CTA internal

TWiki - Level A: Preliminary CTA System Performance Requirements · 2011-03-31 · CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA EDMS id : Edition : 1.0 Date: June 7, 2011 Level A: Preliminary

  • Upload
    others

  • View
    1

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: TWiki - Level A: Preliminary CTA System Performance Requirements · 2011-03-31 · CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA EDMS id : Edition : 1.0 Date: June 7, 2011 Level A: Preliminary

CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA 

EDMS id : 

Edition : 1.0 

Date: June 7, 2011 

Level A: Preliminary CTA System 

Performance Requirements Page : 1/25 

 

  

Level A: Preliminary CTA System Performance Requirements 

   

Author  Laboratory    Approved by  Laboratory 

Konrad Bernlöhr (konrad.bernloehr@mpi‐hd.mpg.de)  

Oscar Blanch Bigas ([email protected])   

Rodolfo Canestrari ([email protected]

Carlos Delgado ([email protected]

Andreas Förster (andreas.foerster@mpi‐hd.mpg.de) 

German Hermann  

                              (german.hermann@mpi‐hd.mpg.de) 

Jim Hinton ([email protected]

Bruno Khélifi ([email protected]

Giovanni Pareschi ([email protected]

Richard White ([email protected]

plus members of the CTA Design Study Work Packages 

  German Hermann (Technical Coordinator),  

March 31st, 2011 

Project Committee,  June 7, 2011 

 

  

Applicable Documents 

No.  Version  Ref.  Date  Title 1  1.0  TPC‐

SPECS/110331c 2011‐06‐07 Reference  Documents  for  Preliminary  CTA  Performance 

Requirements Level A and B 

         

         

  

History 

Edition  Date  Observation 0.0  2011‐03‐31  New document 

1.0  2011‐06‐07  Correction of few typos 

     

 

Distribution  CTA internal   

          

Page 2: TWiki - Level A: Preliminary CTA System Performance Requirements · 2011-03-31 · CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA EDMS id : Edition : 1.0 Date: June 7, 2011 Level A: Preliminary

CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA 

EDMS id : 

Edition : 1.0 

Date: June 7, 2011 

Level A: Preliminary CTA System 

Performance Requirements Page : 2/25 

‐ Table of Contents ‐ 

1.  INTRODUCTION  3 

2.  SCIENTIFIC AND PERFORMANCE REQUIREMENTS  4 

2.1.  OVERVIEW  4 2.2.  ENERGY RANGE  4 2.3.  FIELD OF VIEW FOR GAMMA‐RAYS ON THE SKY  5 2.4.  SYSTEM PERFORMANCE REQUIREMENTS  5 

2.4.1  Sensitivity                           6 2.4.2  Collection Area                           6 2.4.3  Angular Resolution                         6 2.4.4  Precision of source localization                       6 2.4.5  Energy Resolution                        6 

3.  PHYSICAL REQUIREMENTS  10 

3.1.  REQUIREMENT OF MORE THAN ONE TELESCOPE TYPE  10 3.2.  CAMERA FIELD OF VIEW  10 3.3.  PRELIMINARY DEFINITION OF TELESCOPES  10 

3.3.1  LST: large‐size telescope                      10 3.3.2  MST: mid‐size telescope                      11 3.3.3  SST: small‐size telescope, variant 1 (Davies Cotton optics)                   11 3.3.4  SST: small‐size telescope, variant 2 (secondary optics)              11 

3.4.  LAYOUT  11 3.5.  ENERGY RANGES COVERED BY TELESCOPE TYPES  11 3.6.  ARRAY  TRIGGER  12 3.7.  DATA ACQUISITION  12 3.8.  SYSTEM DEAD TIME DURING OBSERVATIONS  12 3.9.  DATA PRODUCTS  13 3.10. ACCURACY OF THE ENERGY SCALE  13 

4.  OPERATING CONDITIONS  14 

4.1.  LIGHT LEVELS  14 4.1.1  Background Light Level                      14 4.1.2  Signal Light Level 14 

4.2.  DEFINITION OF OPERATING MODES  16 4.2.1  Normal Operation                      16 4.2.2  Critical Situation                        16 4.2.3  Emergency Conditions                      16 4.2.4  Survival Conditions                         17 

4.3.  ENVIRONMENTAL CONDITIONS  17 4.3.1  Altitude                          17 4.3.2  Operational Temperature Range                    17 4.3.3  Wind Speed and Power Spectral Density                  18 4.3.4  Seismic Activity                        19 4.3.5  Lightning                        20 4.3.6  Precipitation (rain)                      20 4.3.7  Snow and Ice                        20 4.3.8  Humidity                        21 

5.  LIFECYCLE, MAINTENANCE  22 

5.1.  RELIABILITY, AVAILABILITY  22 5.2.  MAINTENANCE  22 5.3.  LIFE TIME  23 5.4.  SAFETY  24 

Page 3: TWiki - Level A: Preliminary CTA System Performance Requirements · 2011-03-31 · CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA EDMS id : Edition : 1.0 Date: June 7, 2011 Level A: Preliminary

CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA 

EDMS id : 

Edition : 1.0 

Date: June 7, 2011 

Level A: Preliminary CTA System 

Performance Requirements Page : 3/25 

 

1. Introduct ion  

This  document  collects  fundamental  performance  requirements  for  a  Cherenkov  Telescope  Array  [RD1]    (either Northern or Southern site) as a whole (level A). Subsequent documents (for now only to level B) in this collection will provide requirements and specifications at more detailed levels. Level B includes requirements at the sub‐system level (telescope  types,  array  trigger…) which  are  independent  of  a  specific  implementation.  A  specific  implementation would,  for  example  be whether  the  photo‐sensors  are  photomultiplier  tubes  or  semiconductor  devices, whether signals  are  read  out  with  analog  ring  buffers  or  with  FADCs,  whether  a  telescope  trigger  is  based  on  pixel discriminators  and  subsequent  sector‐wise multiplicity  decision  or  it  is  based  on  FPGAs  processing  continuously digitized PMT pulses. Without  reference  to a specific  implementation, some of the  requirements and specifications both here at level A as well as in the companion level B document have to be rather general. Level C and D documents will eventually  include specifications at an  implementation‐specific  level and  in more detail. All of the documents  in this  series  are  only  about  the  CTA  instrument  and  will  not  attempt  to  deal  with  issues  of  site  selection,  with observatory operation etc. – even though, for example, typical site parameters to be expected and consequences of changes  of  some  site  parameters  on  the  instrument  design  may  be  addressed  as  well  as  data  rates  or  other parameters relevant for observatory operation. In  Section  2  (Scientific  and  Performance  Requirements) we  provide  a  first  set  of  requirements  at  a  global  scale, addressing topics relevant to the astrophysicist who wants to make use of CTA. These include only basic parameters like the energy range to be covered, the field of view on the sky fully usable for science, as well as the sensitivity of a whole CTA instrument and a number of ingredients to achieving an excellent sensitivity. While this section is written without  addressing  specific  sizes  of  telescope  types  or  their  layout,  it  should  be  emphasized  that  the  resulting requirements are the result of detailed simulations and analysis codes, having tried a range of different  layouts and settling  to  performance  parameters  we  expect  to  be  achievable  with  a  class  of  CTA  layouts  providing  a  good compromise  for a wide range of physics topics  (see the Design Concepts document  for a selection of physics topics envisaged as well a range of layout variants). Section 3 (Physical Requirements) introduces the types of telescopes which to our current understanding can be used to build a CTA instrument delivering or exceeding the requirements from section 2 within the anticipated cost frame. It  also  addresses other  components needed  for  a CTA  installation. Without  the  specific  implementations  at hand, these  requirements again are  rather general and may,  for example, also be met by slightly smaller  telescopes with higher quantum efficiency sensors  than  foreseen as a baseline, or by  layouts with more medium‐size  telescopes of wider spacing and fewer small telescopes etc. More detailed specifications will be the result of further optimizations of cost versus performance. Section 4 (Operating conditions) provides a collection of expected conditions which are generally not specifications for CTA  itself but have to be kept  in mind for the  instrument design. Depending on the eventual site selection, some of these conditions will have to be detailed  later, while other conditions may be relevant for  issues of site selection as questions like maximum wind speeds, earthquake hazards, lightning or fires, ambient temperatures and pressure may lead to additional costs.  Finally, Section 5 (Lifecycle and Maintenance) addresses issues relevant not just for building a CTA installation but also successfully operating and maintaining it over a period of many years.            

Page 4: TWiki - Level A: Preliminary CTA System Performance Requirements · 2011-03-31 · CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA EDMS id : Edition : 1.0 Date: June 7, 2011 Level A: Preliminary

CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA 

EDMS id : 

Edition : 1.0 

Date: June 7, 2011 

Level A: Preliminary CTA System 

Performance Requirements Page : 4/25 

2. Sc ient i f ic  and  Performance  Requirements  

2.1. Overview 

The Cherenkov Telescope Array should provide substantial  improvements over current very‐high‐energy (VHE) γ‐ray instruments in a number of areas:  

Energy range covered.  

Sensitivity, in particular in the core energy range (about 100 GeV to 10 TeV), i.e. the energy range where the advantages of IACTs are largest in comparison to other detection techniques.  

Effective area.  

Gamma‐hadron discrimination.  

Angular resolution.  

Energy resolution.  

Field of view for gamma‐rays 

Full sky coverage, through sites on both hemispheres  The wide  energy  range  is  required  for  distinguishing  different  physical  processes  that  can  be  at  action  in  a  γ‐ray source. Over small energy ranges most processes result in power‐law spectra. Only observations over a wider energy ranges will show the characteristic deviations from power laws. Observations with a single instrument have a number of  advantages  for  that  purpose,  in  comparison  to  combining,  for  example,  observations with  Fermi  and  an  IACT instrument: observations are strictly simultaneous and cross‐calibration errors are minimal.   The sensitivity actually results from a number of factors,  including effective area, gamma‐hadron discrimination and (at least for point‐like sources) angular resolution. The effective area determines the number of γ‐rays detected from a source of a given flux. The gamma‐hadron discrimination tells by how much the omnipresent background of cosmic ray protons and nuclei can be  suppressed.  In contrast  to protons and nuclei,  the additional electron background  is difficult  –  if not  impossible  –  to  suppress.  In  either  case  the background  suppression  gets more difficult  at  lower energies  because  the  numbers  of  interactions  and  particles  involved  are  lower  and  therefore  fluctuations  in  the shower development get more  important. Remaining backgrounds will not only reduce the statistical significance of source detections but will also vary with off‐axis angle (w.r.t. to the instrument viewing direction), with zenith angle, with angle  to  the geomagnetic  field, with atmospheric  conditions etc. Systematic errors  in  the  subtraction of  such backgrounds are  thus unavoidable and will  limit  the  sensitivity when both,  the numbers of detected  γ‐rays and of remaining background events are high (or it would result in false detections). An improved angular resolution will both reduce  the background on  top  of  a point‐like  source,  and  it will  also  allow  to  study  the morphology of  extended sources in more detail. Improved energy resolution can aid in the detection of possible line emission from dark matter annihilation or decay, in the accurate determination of changes in spectral index, cut‐offs etc.   

2.2.  Energy range 

The  energy  range  to  be  covered  with  CTA  is  limited  at  the  lowest  energies  by  competition  with  space‐based instruments  (e.g.  Fermi) which  achieve  a much  better  background  suppression  by  direct  (non‐)observation  of  the incoming particles and/or the initial interaction products. The effective areas of space‐based instruments will be many order of magnitudes below that of CTA. The energy below which space‐based instruments can be more sensitive than CTA will  differ  between  steady  sources, where  data  of many  years  of  Fermi  observations  can  be  added  up,  and variable  sources, where only CTA will  be  able  to  detect  a  significant  number  of  gamma‐rays  in  a  short  time.  The sensitivity cross‐over is expected between 50 and 70 GeV for steady point‐like sources and 10 to 20 GeV for variable sources, depending on the time scale. At the highest energies, the flux of any source is so low that a huge area has to be covered with Cherenkov telescopes. Alternate detection techniques, either non‐imaging Cherenkov detectors or more traditional particle detector arrays, may ultimately become more  cost‐effective despite  their much  inferior gamma‐hadron discrimination. A physically well‐motivated aim of detecting gamma‐rays of a  few hundred TeV  is well within  reach of CTA. Such  gamma‐rays 

Page 5: TWiki - Level A: Preliminary CTA System Performance Requirements · 2011-03-31 · CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA EDMS id : Edition : 1.0 Date: June 7, 2011 Level A: Preliminary

CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA 

EDMS id : 

Edition : 1.0 

Date: June 7, 2011 

Level A: Preliminary CTA System 

Performance Requirements Page : 5/25 

would  result  from  interaction of PeV energy  cosmic  rays and would  thus  indicate  the  sources of  such  cosmic  rays (often termed pevatrons).   Specification: the accessible energy range of CTA should be 20 GeV to 300 TeV Implications  on  cost: Reduction  of  the  lower  limit would  require  larger  telescopes  and more  of  them, with more accurate control of background  systematics  (implying a  larger camera  field of view etc.). Extending  the upper  limit would require coverage of a substantially larger area with instruments sensitive to very bright showers.  

2.3. Field of View for Gamma‐Rays on the Sky 

The field of view for gamma‐rays of a telescope system is the angle between the shower direction and the observation direction of the telescopes, at which detection efficiency for reconstructed gamma‐rays drops to 80 % of the on‐axis efficiency.  In order to fully contain the shower  images, the camera field of view needs to be  larger than the field of view  for gamma‐rays. A  larger  camera  field of  view also  results  in a  larger  field of  view of a  telescope  system  for gamma‐rays.  In order to cover the full energy range, CTA is foreseen to be built of three types of telescopes of different sizes (see  3.1),  large  telescopes  for  the  low energy  section and medium‐size and  small‐size  telescopes  for  the mid‐ and high energies, respectively. A uniform size of the gamma‐ray field of view (f.o.v.) across all energies would be desirable but is unachievable due to problems of mechanical stability resulting from high camera weights and extremely long focal lengths as needed for a good optical point‐spread function. With the low energy telescope being in competition to direct detection techniques and  aiming mainly  at  transient  and  variable  sources,  looking  necessarily  point‐like,  their  requirements differ  from those for the medium and high energy instrumentation.  Low energy observations will mainly  focus on point‐like sources, usually with a single  (main) source as  its target.  In addition, small (few 0.1°) sources and the small‐scale morphology of extended sources will be studied  in the 50‐200 GeV energy region. Alternating off‐axis (“wobble‐mode”) observations of 0.5°‐0.7° at 0.1°‐0.3° angular resolution are required for optimal subtraction of cosmic‐ray and electron backgrounds.  Specification: The gamma‐ray f.o.v. for the low energy regime should thus extend at least to 1.0° from the axis.   Core  energy  regime  and  high  energies:  In  addition  to point‐like  (often  variable)  sources, observations will  include extended (steady) sources, in particular within a few degrees of the Galactic Plane. Multiple sources within the field of view  are  common  and  source‐free  regions  for  proper  background  subtraction  are  rare  unless  the  f.o.v.  extends beyond the Galactic Plane. The number of sources which can be studied simultaneously should increase proportional to the f.o.v. solid angle (and thus the number of pixels  in the camera) as  long as the f.o.v.  is still within the Galactic Plane, and then proportional to the f.o.v. diameter once extending beyond the Galactic Plane.  Specification:  For  optimum  overall  performance  the  gamma‐ray  f.o.v.  radius  for  the  core  energy  regime  and  high energies should extend to at least 2.5°.    

2.4. System Performance Requirements 

The  following  system performance parameters quantify  the performance  requirements  for CTA as next generation observatory. They are based on  large‐scale simulations of many different possible  implementations of CTA, analysis mainly by traditional methods (using Hillas parameters etc.) and selection of a near‐optimum configuration based on physics goals. It should be made clear that observations of different types of objects, with different spectra, may be better off with different configurations but  the overall mix of observations of a wide  range of object  types  is best served by a balanced configuration putting similar amounts of resources into the different CTA‐subset energy ranges (see figure 1).  

Page 6: TWiki - Level A: Preliminary CTA System Performance Requirements · 2011-03-31 · CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA EDMS id : Edition : 1.0 Date: June 7, 2011 Level A: Preliminary

CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA 

EDMS id : 

Edition : 1.0 

Date: June 7, 2011 

Level A: Preliminary CTA System 

Performance Requirements Page : 6/25 

2.4.1 Sensitivity 

Description: The minimum flux of a point source that can be detected in given observation time.  Specification: For 50 hours of observation time about 1 milliCrab in integral sensitivity above a few hundred GeV (core energy  range), about 10 milliCrab above 10 TeV. For  low energies above 50 GeV a sensitivity of about 10 milliCrab should be achieved in only 5 hours of observation time. (see figure 2). The corresponding differential sensitivities are shown in figure 3. 

 

2.4.2 Collection Area 

Description: The collection area, or effective area, is defined as the effective geometric area on the ground over which incident gamma‐ray showers can be detected and reconstructed. It can be calculated as the number of reconstructed showers in a given observation time divided by the incident flux and observation time.    Specification:  ≥ 0.05 km2 at 50 GeV,  ≥ 1 km2  at 1 TeV,  ≥ 5 km2  at 100 TeV   

2.4.3  Angular Resolution 

Description: The ability of CTA to resolve an image spatially on the sky, expressed in degrees as the radius of a circle that contains 68% of the reconstructed image resulting from a pure point source.   Specification: 68% containment radius of ≤ 0.15 o at 100 GeV, ≤ 0.05 o at 1 TeV, and ≤ 0.02 o at 100 TeV (see figure 4).  

2.4.4 Precision of Source Localization 

Description: The precision, at which the position of point sources and slightly extended sources can be determined. For sources that are detected with high count rate and good signal to noise ratio, the statistical error on the source location can be as low as a few arc seconds, or even below. The precision on the source location will then be limited by systematic errors of the instrument.  Specification: The systematic error on the localization of point sources is required to be less than 5 arc seconds (rms) in space angle.  

2.4.5 Energy Resolution 

Description: How well the energy can be reconstructed expressed as a percentage of the true energy.   Specification: Better than 10% (rms) for energies above 1 TeV and better than 20% (rms) for energies between 100 GeV and 1 TeV (see figure 5).      

Page 7: TWiki - Level A: Preliminary CTA System Performance Requirements · 2011-03-31 · CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA EDMS id : Edition : 1.0 Date: June 7, 2011 Level A: Preliminary

CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA 

EDMS id : 

Edition : 1.0 

Date: June 7, 2011 

Level A: Preliminary CTA System 

Performance Requirements Page : 7/25 

 

 

  Figure 1. Top: Illustration of a balanced configuration of CTA South. In this example with three large, 18 mid‐size, and 56 small telescopes  (see  3.1). The telescope positions are  in units of meters. The effective area of CTA may extend slightly beyond the area actually covered by telescopes (resulting in about 0.1 km2 in the energy range only available to the large telescopes, close to than 1 km2 in the energy range of mid‐size telescopes and about 5 km2 in the energy range of the small telescopes, not counting for γ‐rays lost in the gamma‐hadron discrimination).  Bottom: Illustration of a possible configuration for a Northern CTA array with emphasis on the low energy band, here consisting of 4 large and 17 mid‐size telescopes.

Page 8: TWiki - Level A: Preliminary CTA System Performance Requirements · 2011-03-31 · CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA EDMS id : Edition : 1.0 Date: June 7, 2011 Level A: Preliminary

CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA 

EDMS id : 

Edition : 1.0 

Date: June 7, 2011 

Level A: Preliminary CTA System 

Performance Requirements Page : 8/25 

 

 Figure  2  Integral  sensitivity  of  the  balanced  CTA  configuration  (see  figure  1  top)  as  a  function  of  energy.  For comparison the sensitivity curves of current generation of  Imaging Cherenkov experiments are drawn, as well as of the Fermi LAT.  

  Figure 3 Differential sensitivity of the same CTA configuration in 5 bins per decade of energy, for different observation times. The sensitivity is shown in 'Crab units', assuming an E‐2.57 power law spectrum matching the Crab Nebula at TeV energies. The black  lines are parameterizations of  the best performance of any  tested configuration. The balanced configuration  is thus close to optimal at all energies and for all observation times, even though other configurations may be slightly superior at specific energies.   

Page 9: TWiki - Level A: Preliminary CTA System Performance Requirements · 2011-03-31 · CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA EDMS id : Edition : 1.0 Date: June 7, 2011 Level A: Preliminary

CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA 

EDMS id : 

Edition : 1.0 

Date: June 7, 2011 

Level A: Preliminary CTA System 

Performance Requirements Page : 9/25 

   Figure  4:  Angular  resolution  of  the  balanced  CTA  configuration  as  a  function,  showing  both  the  68%  and  80% containment radius under different cut optimizations resulting in best sensitivity or in best angular resolution.   

 Figure 5 Energy resolution (r.m.s.) of the balanced CTA configuration as a function of energy, again for different cut optimizations.

Page 10: TWiki - Level A: Preliminary CTA System Performance Requirements · 2011-03-31 · CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA EDMS id : Edition : 1.0 Date: June 7, 2011 Level A: Preliminary

CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA 

EDMS id : 

Edition : 1.0 

Date: June 7, 2011 

Level A: Preliminary CTA System 

Performance Requirements Page : 10/25 

 

3. Phys ica l  Requirements  

3.1. Requirement of more than one telescope type 

At the lowest energies large telescopes are required to focus as many of the few Cherenkov photons as possible into a camera.  These  are  very  expensive  and  their  effective  areas  are  limited  by  the  characteristics  of  the  Cherenkov emission in air. In addition, the detector dynamic range is limited to a few thousand photo‐electrons per pixel (PMT). Some pixels will thus saturate at high energies. Smaller telescopes will not be able to see the lowest energy showers but will  be more  cost‐effective  for  the  detection  of  the  higher  energy  showers.  A  single  type  of  telescopes may reasonably cover an energy  range of a  factor of a  few hundred between threshold and saturation. Coverage of the CTA energy range with only two types of telescopes would just barely be possible, leaving basically no overlap in the individual  ranges  and  thus  resulting  in  poor  cross‐calibration.  A  two‐type  configuration would  also  result  in  non‐optimal performance  in the core energy range because the  large telescopes would be  in saturation and cover a too small  effective  area while  the  small  telescopes would  not  yet  detect  the  showers with  good  quality.  The  optimal design of CTA thus requires three types of telescope, with the middle size (MST: mid‐size telescope) matching the core energy range of the imaging atmospheric Cherenkov technique. Large and small telescopes (LST: large‐size telescope, SST: small‐size telescope) can then be built to have a comfortable overlap  in  individual energy ranges with the mid‐size telescopes (up to about a TeV for the large telescopes and starting at about a TeV for the small telescopes). For a site emphasizing observation of distant extragalactic objects  (mainly AGN),  the  small  telescope  type would not be required since γ‐rays above the energy range of the mid‐size telescopes would be lost on their way due to interactions with the cosmic infra‐red background.  

3.2. Camera Field of View 

Following the requirements on the field of view for gamma‐rays on the sky (section  2.3), the field of view required for the cameras of the different telescopes can be derived:  LST: Images of  ̣gamma‐ray showers must be fully contained in the camera field of view as long as a telescope is in the light pool of the shower (image c.o.g. up to 0.9° offset plus ~0.5° length). The camera f.o.v. must thus be larger than the  gamma‐ray  f.o.v. Having more  than  the bare minimum  f.o.v. will  result  in  a more  uniform  response  over  the gamma‐ray f.o.v. and reduce any systematic errors in the background subtraction.  A camera f.o.v. diameter of ~ 4.2o ‐ 5.0o is required.  MST and SST: For MSTs, with inter‐telescope spacing not much exceeding the light‐pool radius, resulting camera f.o.v. diameters of 6°‐8° are optimal. For SSTs using  large  inter‐telescope spacings to extend the area coverage, the same gamma‐ray f.o.v. corresponds to optimal camera f.o.v. diameters of 7°‐10°.   

3.3. Preliminary Definition of Telescopes 

 Experience with past Cherenkov telescope installations and detailed Monte Carlo simulations indicate that the desired performance for a full CTA array can achieved with a combination of three sizes of telescopes, as indicated below:  

3.3.1  LST: large‐size telescope 

Mirror collection area: ~400 m2 Angular pixel pitch:  ~ 0.1o Camera FoV:  ~ 4.2

o ‐ 5.0

o  

Page 11: TWiki - Level A: Preliminary CTA System Performance Requirements · 2011-03-31 · CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA EDMS id : Edition : 1.0 Date: June 7, 2011 Level A: Preliminary

CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA 

EDMS id : 

Edition : 1.0 

Date: June 7, 2011 

Level A: Preliminary CTA System 

Performance Requirements Page : 11/25 

 

3.3.2 MST: mid‐size telescope 

Mirror collection area: ~100 m2 Angular pixel pitch:  ~ 0.18o Camera FoV:  ~ 7o ‐ 8o   

3.3.3 SST: small‐size telescope, variant 1 (Davies Cotton optics) 

Mirror collection area: ~10‐40 m2 Angular pixel pitch:  ~ 0.25o Camera FoV:  ~ 7o ‐ 10o   

3.3.4 SST: small‐size telescope, variant 2 (secondary optics) 

Mirror collection area: ~10 m2 

Angular pixel pitch:  ~ 0.2o Camera FoV:  ~ 7o ‐ 10o    

3.4. Layout 

Due to the forward direction of Cherenkov light emission in air and the resulting Cherenkov light pool of fairly uniform illumination of  about  200‐250 m  diameter,  inter‐telescope  spacings of  about  100 m  are needed  at  the  threshold, subject to optimization. Well above threshold, showers can be detected from outside the light pool, if the field of view is  large enough. For an  instrument consisting of several telescope type, the few (3‐5)  large telescopes (LSTs) will be placed  in  the center of    the array. The more numerous  (15‐25) mid‐size  telescopes  (MSTs) will cover a  larger area, again starting with  inter‐telescope spacings of the order of 100 m  in the  inner region. These spacings may  increase towards the edge of the MST part. The Northern CTA installation may consist of only the LST and MST parts since most sources unique to CTA‐North will be of extragalactic nature and no photons beyond  tens of TeV may reach us. The Southern installation, with the inner Galaxy also in its view, will in addition also have many (25‐100) small telescopes (SSTs) covering an even  larger area, with  inter‐telescope spacings from about 150 to 250 m. A few SSTs  in the  inner region  covered  by  LSTs  and MSTs  can  avoid  gaps  in  area  coverage  at  the highest  energies  – where  LST  and MST cameras are in saturation – and aid the sub‐system cross‐calibration.  CTA‐South: 3‐5 LSTs, 15‐25 MSTs, 25‐100 SSTs (see figure 1, top). CTA‐North: 3‐5 LSTs, about 15 MSTs (see figure 1, bottom).  

3.5. Energy ranges covered by telescope types 

Description:  Section  2.2 defines the required overall energy range of the CTA instrument, from about 20 GeV (for variable sources) or about 70 GeV (for steady sources) up to about 300 TeV. The lower limit, with overlap to space‐based instruments (Fermi)  is covered by the LST. The upper  limit of this range also defines the upper  limit to the SST sub‐system. The overlap of the LST sub‐system with the MST sub‐system is required for at least two purposes: The LST telescopes need to be able to measure gamma‐ray showers up to at least 1 TeV for cross calibration with the MSTs.  For independent operation of the LST sub‐array, showers should not saturate the cameras up to energies, where the sensitivity of the sub‐array is limited by signal statistics (at least 10 detected gamma‐rays). See reference [RD2] 

Page 12: TWiki - Level A: Preliminary CTA System Performance Requirements · 2011-03-31 · CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA EDMS id : Edition : 1.0 Date: June 7, 2011 Level A: Preliminary

CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA 

EDMS id : 

Edition : 1.0 

Date: June 7, 2011 

Level A: Preliminary CTA System 

Performance Requirements Page : 12/25 

In addition, overlap in energy ranges between MSTs and both LSTs as well as SSTs are required for reasons of cross‐calibration.   Specification: 20 GeV to 300 TeV, split up as 0.02 –  5 TeV (LST), 0.1 – 30 TeV (MST), <1 – 300 TeV (SST)   Implications on  cost: Reduction of  the  lower  limit would  require  larger  telescopes  and more of  them, with more accurate control of background  systematics  (implying a  larger camera  field of view etc.). Extending  the upper  limit would  require  coverage  of  a  substantially  larger  area with  instruments  sensitive  to  very  bright  showers.  A  larger overlap between the different telescope types would require an increased dynamic range of the cameras. 

 

3.6. Array  Trigger 

The concept of CTA  is based on the stereoscopic detection of air showers. Therefore  it  is advisable to combine the information of the different telescopes already online, and to acquire event data only for further processing, if certain, configurable  inter‐telescope  trigger  conditions are  fulfilled  [RD3, RD4, RD5]. This helps  to  suppress background,  to reduce system dead time and to increase the sensitivity of a telescope system.  The CTA arrays therefore should be equipped with configurable array trigger systems. 

3.7. Data Acquisition 

The bulk of data is generated by the cameras of the large size and medium size telescopes. The individual telescopes will generate pre‐array trigger about 50‐100 Byte of raw data per pixel and event, resulting in a raw data flow of the order of up to a GByte/sec per telescope. For a balanced Southern array (figure 1 top) the expected rate of detected air showers after array trigger will be of the order of 15‐20 kHz, with an average telescope multiplicity of 5‐6.  For these events, the recorded waveforms of the pixels will be analysed and all calibration steps performed, resulting in pixel intensity values and possibly pulse arrival time values per pixel. In  this processing step,  the amount of data will be  reduced by more  than  two orders of magnitude  from about 50 GByte/sec to a few hundred MByte/sec of calibrated camera images, ready for stereoscopic event reconstruction. Detailed values derived from simulations can be found in the report of the WP MC trigger sub‐task group [RD6]   The  CTA  data  acquisition  system  has  to  provide  the  corresponding  data  transmission  bandwidth  and  processing power, to allow for an online analysis including all pre‐processing and calibrations steps of the recorded events.  

3.8. System Dead Time during Observations 

During normal data  taking  for observations,  it  is possible  that  telescopes  can’t process events, because either  the camera readout or the data pipeline is busy with previous event(s). This generates dead time of the instrument, which leads to a reduced sensitivity of the system.  Therefore, the dead time of  individual telescopes during observations at normal operating conditions should be  less than 5 %. In addition, the probability that at least one telescope is busy in an event should be less than 10 %.  A second source of dead time during observation sequences can be delays in the response of the data acquisition and slow  control  software,  e.g.  between  individual  observation  runs,  preventing  the  telescopes  from  taking  data  and resulting  in a  loss of possible observation time. The  intrinsic response time of these processes should be reduced to less than 10 sec. 

Page 13: TWiki - Level A: Preliminary CTA System Performance Requirements · 2011-03-31 · CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA EDMS id : Edition : 1.0 Date: June 7, 2011 Level A: Preliminary

CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA 

EDMS id : 

Edition : 1.0 

Date: June 7, 2011 

Level A: Preliminary CTA System 

Performance Requirements Page : 13/25 

3.9. Data Products 

The telescope cameras should provide per pixel a measurement of the light intensity and possibly a measurement for the arrival time of the light pulses in the pixels. For  the  reconstruction of  the  events, additional  calibration data will be  required,  like  the optical  efficiency of  the telescopes, the  light sensitivity of the  individual pixels, the pointing of the telescopes  in the sky. The corresponding calibration methods and devices have to be foreseen.  

3.10. Accuracy of the Energy Scale 

The measurement of  flux and  energies of  gamma‐ray  is  related  to  the amount of Cherenkov  light emitted by  the atmospheric  showers. The camera  instrumentation provides electric  signals  that are  related  to emitted photons by taking  into account the electronics properties (e.g. amplification) and the efficiencies of all optical components (e.g.  atmosphere, telescopes, camera) .  The relationship between the number of emitted photons and the measured signal  is determined by the calibration process. It takes into account the atmospheric absorption (measured, e.g. using LIDARs), the global optical efficiency of the telescope (mirrors, structure and camera shadowing) and of the camera (entrance window, photo sensors) and its  electronics  properties  (pedestal,  amplification,  linearity).  Beyond  the  intrinsic  limitation  of  the  Atmospheric Cherenkov technique, the accuracy of calibration directly translates into the accuracy of the energy scale.  Specification: <10%  To achieve this accuracy, continuous atmospheric measurements are required on each observatory site.  In addition each  telescope  should have a  specific  instrumentation  to measure  the  telescope efficiency.  In  general,  the  largest inaccuracy is coming from the atmosphere properties. 

 

Page 14: TWiki - Level A: Preliminary CTA System Performance Requirements · 2011-03-31 · CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA EDMS id : Edition : 1.0 Date: June 7, 2011 Level A: Preliminary

CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA 

EDMS id : 

Edition : 1.0 

Date: June 7, 2011 

Level A: Preliminary CTA System 

Performance Requirements Page : 14/25 

 

4. Operat ing  Condit ions  

4.1. Light Levels  

A telescope is exposed in a dark night to a) a persistent background light level from the night sky and b) short pulses of Cherenkov light. 

 

4.1.1 Background Light Level 

Background  light  is  due  to  star  light,  zodiacal  light,  air  glow,  scattered  sun  light, moon  light  and man‐made  light pollution.  In  a  dark  site  (little  light  pollution)  at  mountain‐level  altitudes  and  under  conditions  of  astronomical darkness, it is about corresponding to one magnitude 22 star per square arc second or some 200 magnitude 10 stars per square degree in the V (green) wavelength band, increasing substantially in energy flux from the UV to the green and  red wavelength  region  [RD7]. Since Cherenkov  light  is most  intense  in  the blue and UV  region, photo  sensors should provide as little sensitivity as possible in the green and, in particular, the red region. They should be completely insensitive to IR wavelengths.  In a typical Cherenkov telescope of 100 m² mirror collection area and photon detectors as foreseen for an MST, this background  light  level will result  in background photo‐electron rates  in excess of 100 MHz per pixel, even for a very dark region of the sky. For a typical region  in the Galactic plane, a  level of twice that  is common, with considerable spread. In observations while the moon  is up, a  level of five times that of dark sky  is easily exceeded, depending on the phase and distance of the moon, the angle between telescope viewing direction and the moon etc. Observations under  high light levels may increase the aging of the photo detectors. Even under dark conditions, the afterpulsing of photo‐multiplier tubes from background light may limit the energy threshold and low‐energy sensitivity of Cherenkov telescopes.  

4.1.2 Signal Light Level 

The Cherenkov light of a 100 GeV gamma‐ray shower has a typical and fairly uniform density of some 10 photons/m² on ground  (in  the wavelength  range 300  to 600 nm) within about 120 m  from  the shower core  (see  figure 6). This region around the shower core is referred to as the light pool. Beyond that the light density falls with radius R roughly like 1/R². The average central density depends also on the altitude of the site and the atmospheric profile, mainly due to different distance of the shower maximum to the site. At increasing energies E it rises for gamma‐rays a bit more rapidly than proportional to E, due to increasing shower penetration into the atmosphere. Proton showers are rather similar at TeV energies but are far less efficient than gamma‐rays (or electrons) at low energies.  A typical telescope of 100 m² mirror collection will get some 1000 photons reflected  to  its camera  from a 100 GeV shower and about 5 million photons from a 100 TeV shower. Depending on the photon detectors, this may result in close  to 100 photo‐electrons at  the 100 GeV detection  level, of which about half may be detected  in a handful of pixels,  the  remaining  photo‐electrons  being more  spread  out.  For  telescopes  inside  the  light  pool, most  of  the Cherenkov  light will arrive within a  few nanoseconds. Far outside of the  light pool, arrival times may be spread out over tens of nanoseconds, due to geometrical reasons.  In either case, the signal in each pixel can be rather short, with a typical r.m.s. width of 0.7 ns due to photon arrival times – slightly narrower at the rim of the light pool but generally wider both  inside and outside (see figure 7). Typical PMTs will add a similar spread due to their transit time spread, and  the  reflector,  if optimized  for point‐spread  function  rather  than  time  spread, may add again a  similar or even larger time spread. At the detection level, the pixels may thus see about 5 to 10 photo‐electrons, most of them within about 2‐3 nanoseconds  (FWHM). At energies of a  thousand  times higher  than  the detection energy  threshold,  the most  intense  pixels may  have  to  deal with  some  pulses  of  50  000  photo‐electrons,  a  level  easily  exceeding  the dynamic range of photon detectors and electronics.  

Page 15: TWiki - Level A: Preliminary CTA System Performance Requirements · 2011-03-31 · CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA EDMS id : Edition : 1.0 Date: June 7, 2011 Level A: Preliminary

CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA 

EDMS id : 

Edition : 1.0 

Date: June 7, 2011 

Level A: Preliminary CTA System 

Performance Requirements Page : 15/25 

 

 Figure  6:  Lateral  distribution  of  Cherenkov  light  density  (in  the  300‐600  nm  wavelength  range)  on  ground  for simulated gamma‐ray showers (left) and proton showers (right). 

  

Page 16: TWiki - Level A: Preliminary CTA System Performance Requirements · 2011-03-31 · CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA EDMS id : Edition : 1.0 Date: June 7, 2011 Level A: Preliminary

CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA 

EDMS id : 

Edition : 1.0 

Date: June 7, 2011 

Level A: Preliminary CTA System 

Performance Requirements Page : 16/25 

 

4.2. Definition of Operating Modes 

4.2.1 Normal Operation 

The telescopes can be used for regular observations or be moved for maintenance. All deformations and the optical PSF have to be maintained within the limits for regular observations.  All drive systems need to be operational at full speed and acceleration. The camera can be switched on and the lid opened (if in addition darkness criteria fulfilled).  

4.2.2 Critical Situation 

Observations / maintenance have to be stopped and the telescopes need to be moved to the safe position. No non‐reversible deformations / damage may occur. All drive systems need to be operational at least at 70% of the full speed and of the full acceleration. The camera needs to be switched off and the lid closed.  

4.2.3 Emergency Conditions  

In  case  the  environmental  conditions  exceed  the  thresholds  defining  the  emergency  situation,  the  telescopes  still need  to be moveable  to  the  safe position. No non‐reversible deformations  / damage may occur. All drive  systems need to be operational at least at 10% of the full speed and of the full acceleration. The camera needs to be switched off and the lid closed.  

Figure 7: Distribution of photon arrival times on ground from simulated vertical gamma-ray showers in different ranges of core distance. In the absence of a time gradient along a shower image(around 120 m core distance), this is also the time distribution in a single pixel, for an idealtelescope and photo-detector. Time zero corresponds to when the primary gamma-ray would have arrived on ground, in case of no interactions.

Page 17: TWiki - Level A: Preliminary CTA System Performance Requirements · 2011-03-31 · CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA EDMS id : Edition : 1.0 Date: June 7, 2011 Level A: Preliminary

CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA 

EDMS id : 

Edition : 1.0 

Date: June 7, 2011 

Level A: Preliminary CTA System 

Performance Requirements Page : 17/25 

4.2.4 Survival Conditions 

The  telescopes  need  to  be  in  the  safe  position.  No  non‐reversible  deformations  or  damage  may  occur  to  the telescopes. The telescopes do not need to be movable. The camera needs to be switched off and the lid closed. 

 

4.3. Environmental Conditions 

The  environmental  conditions described  herein  are  not  specifications  for  the  CTA  site,  and  are  not  intended  as  a complete description of the environment on site. They rather represent the current best knowledge of an expected site, and should therefore be treated as the site parameters relevant for the design of the telescopes.  

4.3.1 Altitude 

Description: The operational altitude is the altitude at which the telescopes will be required to be operational.   Specification: Operational altitude 1500 to 3800 metres above mean sea level.          Justification: The geographical  location of  the CTA  telescopes has not been  identified yet, however site candidates have been identified at altitudes ranging from 1500 metres to 3800 metres above sea level.   Qualification: The ambient air pressure and density  is  reduced as a  function of  site altitude.    Items of electrical or mechanical equipment that are designed to operate at sea level (atmospheric pressure 101325 Pa) should be de‐rated for  operation  at  the  site  altitude. Ultraviolet  radiation  also  increases with  altitude  due  to  decreasing  atmosphere thickness, ozone, cloud cover and aerosols.  Impact on Performance: Cooling efficiency of  items such as motors and fans will be  impaired, hence these must be oversized for operation at altitude. As a general guideline ultraviolet solar radiation increases by approximately 10 % for  every  1000  metres  increase  in  altitude  (estimated  by  the  World  Health  Organisation).  Materials  such  as thermoplastics  and  polymers  are  particularly  susceptible  to  photodegradation  due  to  ultraviolet  exposure  and increased UV levels can cause embrittlement and loss of extensibility, tensile strength and impact resistance.  Impact on Cost:  The  requirement  to de‐rate equipment  for operation at  elevated  altitudes and  specify ultraviolet resistant materials  can  substantially  increase component and array  capital cost. For example  the use of ultraviolet resistant PTFE pneumatic airlines in lieu of nylon can increase costs by a factor of five. 

4.3.2 Operational Temperature Range  

Description:  The  normal  operational  temperature  range  is  defined  as  the  bound  formed  by  the  upper  and  lower temperature limits for which the telescope will be required to conduct normal operations. The emergency operational temperature range is defined as the bound formed by the upper and lower temperature limits  for which the telescope must be capable of being operated such that  it may be either restored to  its normal operating condition or be placed  in a stowed position. The survival operational temperature range  is defined as the bound  formed  by  the  upper  and  lower  temperature  limits which  the  telescope must  be  capable  of withstanding without suffering permanent damage.  Specification:     

Parameter  Minimum Value  Maximum Value 

Normal Operating Temperature  ‐10 Celsius  +30 Celsius 

Emergency Operating Temperature  ‐15 Celsius  +45 Celsius 

Survival Operating Temperature  ‐25 Celsius  +60 Celsius 

Page 18: TWiki - Level A: Preliminary CTA System Performance Requirements · 2011-03-31 · CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA EDMS id : Edition : 1.0 Date: June 7, 2011 Level A: Preliminary

CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA 

EDMS id : 

Edition : 1.0 

Date: June 7, 2011 

Level A: Preliminary CTA System 

Performance Requirements Page : 18/25 

 Justification: The operating temperature ranges must incorporate both diurnal and annual  temperature extrema for the candidate or actual site location  accounting for both air temperature and gains from solar radiation.  Qualification: Diurnal and annual air  temperature extrema may be obtained  from  local or national meteorological data. Surface  temperatures due  to  solar  radiation may be estimated by calculation of  the equilibrium  temperature derived from incident solar radiation heat flux.   Impact on Performance: Differential thermal expansion may cause structural damage, binding of moving parts, induce high strains in optical components, cause unstable operation or failure of electronic components due to high thermal gradients and degradation of polymers and composite materials resulting in a shortened operational lifetime.  Impact on Cost: Athermalisation of the structure may require the use of materials having low coefficients of thermal expansion, e.g. austenitic stainless steels,  invar alloys or composite materials. Use of these can significantly  increase cost.  Impact  on Other  Specifications:  The  structural  properties  of many  commonly  used  engineering materials  such  as ferrous  and  non  ferrous metals,  polymers  and  composites  vary widely with  operating  temperature.  Variations  of mechanical properties such as the Young’s modulus, fracture  toughness, fatigue resistance, stress‐strain behavior and thermal expansion coefficients must be considered.    

4.3.3  Wind Speed and Power Spectral Density 

Description: The normal operational wind speed is defined as the wind speed at which normal telescope operation is possible. The critical operational wind speed is defined as the wind speed at which normal telescope operation shall cease and the telescope be moved at normal slew speed to  its safe stow position. The emergency operational wind speed is defined as the wind speed at which the telescope must be immediately moved to its safe stow position. The maximum survival wind speed is defined as the maximum wind speed that the telescope will sustain without suffering permanent  damage  that  would  prevent  immediate  resumption  of  normal  telescope  operation.  The  wind  power spectral density is defined as a function of mean wind velocity and frequency.  Specification:  

Parameter  Value 

Normal Operational Wind Speed  Equal to or less than 50 km/hr 

Critical Operational Wind Speed  Exceeding 50 km/hr but less than 65 km/hr 

Emergency Operational Wind Speed  Exceeding 65 km/hr but less than 100 km/hr 

Maximum Survival Wind Speed  Equal to 200 km/hr 

Nomenclature: km/hr = Kilometres per hour  The wind power spectral density may be calculated either as a Von Karman Power Spectrum or by using an empirically based (Davenport) model.  Justification:  It  is anticipated that static and dynamic wind  loads will render normal  telescope operation difficult at wind speeds exceeding 50 kilometres per hour. For wind speeds  in excess of 50 kilometres per hour  the  telescope should be moved to the safe stow position. For the survival condition of 200 kilometres per hour the telescope should be locked in the stow position.  Qualification: Wind  speed magnitudes  and  power  spectra  are  dependent  upon  environmental  conditions  at  the telescope geographical location. Therefore site specific wind speed and power spectrum data must be obtained from local or national meteorological institutes.   

Page 19: TWiki - Level A: Preliminary CTA System Performance Requirements · 2011-03-31 · CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA EDMS id : Edition : 1.0 Date: June 7, 2011 Level A: Preliminary

CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA 

EDMS id : 

Edition : 1.0 

Date: June 7, 2011 

Level A: Preliminary CTA System 

Performance Requirements Page : 19/25 

Impact on Performance: The operational wind speed will directly  impact upon the operational slew torque and the telescope pointing and  tracking ability. The critical and emergency wind  speeds will  impact upon  the  slew  torques required to drive the telescope to the safe stow position, the survival wind speed will dictate the magnitude of the static and dynamic wind loads that must be resisted by the telescope and the magnitude of the overturning moments that must be resisted by the foundation.  Impact on Cost: The operational, critical and survival wind speeds will dictate the required drive torques and electrical power  requirements and hence  their  capital and  running  costs.  It  is  important  to consider overall electrical power requirements  for  the array as  the  required  infrastructure will  incur a significant capital cost and operational power requirements will be a significant fraction of the annual running costs. The maximum survival wind speed will dictate the foundation and structure design and cost.  Impact  on  Other  Specifications:  The  maximum  survival  wind  speed  will  directly  impact  upon  the  foundation specification, design and cost. Anchoring methods for the telescopes such as rock bolting or the use of a gravity base must be designed so as to withstand the survival wind speed. 

 

4.3.4 Seismic Activity 

Description: Seismic activity  is defined as the magnitudes of horizontal and vertical accelerations that the telescope must withstand during normal operation. The operational base earthquake  is defined as  the maximum earthquake level  that  the  telescope must  withstand  without  suffering  damage  that  would  prevent  quickly  resuming  normal operation.  The maximum  likely  earthquake  is  defined  as  the maximum  earthquake  level  that  the  telescope  will withstand without suffering such severe damage that it proves uneconomic to resume use of the telescope.  Specification: The magnitudes of peak horizontal and  vertical accelerations are  site  specific and must be obtained from local construction design codes or from national geophysical institutes. However as an example assuming South America as the telescope site the operational base earthquake horizontal acceleration magnitude will be specified to be 0.25 G and the maximum  likely earthquake horizontal acceleration magnitude will be specified to be 0.34 G. The vertical acceleration  in both cases will be assumed to be equal to 0.67 times the horizontal acceleration magnitude, with both the horizontal and vertical accelerations being applied simultaneously.   Justification: Seismic maps indicating global peak ground acceleration magnitudes  are available from GSHAP (Global Seismic Hazard Assessment Programme). The resistance of the telescope structure and foundation to seismic damage will typically be evaluated by specifying the magnitude of the operational base earthquake (OBE) and the maximum likely earthquake  (MLE)  in  terms of acceleration amplitudes. These can vary considerably depending upon  the  site location.  For  example  for  South America  the maximum  likely  earthquake  (MLE) horizontal  acceleration magnitude may be 0.34 G and the operational base earthquake (MBE) horizontal acceleration magnitude may be 0.25 G, whereas for West Africa these may be 0.08 G and 0.05 G respectively. Due to the potential for facility damage due to under specification or of incurring additional construction costs due to over specification it is extremely important that site specific acceleration magnitudes are obtained and adopted in the design.  Qualification:  General  rules  for  the  design  of  structures  for  seismic  activity  that may  assist  the  designer  when evaluating the resistance of the telescope structure to seismic activity will be given in local construction design codes. As an example within Europe the following design codes that may be relevant are Eurocode 8: Design of structures for earthquake  resistance, Part 1: General  rules  seismic  actions and  rules  for buildings,  Part 5:  Foundations,  retaining structures and geotechnical aspects and  Part 6: Towers, masts and chimneys.  Impact on Cost: Foundation and structure cost may be considerably affected by the seismic acceleration magnitudes.  Impact  on  Other  Specifications:  Acceleration  of  the  telescope  as  a  result  of  seismic  activity  will  impose  large overturning moments upon the foundation. Anchoring methods such as rock bolting or the use of a gravity base must be designed to withstand these.  

 

Page 20: TWiki - Level A: Preliminary CTA System Performance Requirements · 2011-03-31 · CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA EDMS id : Edition : 1.0 Date: June 7, 2011 Level A: Preliminary

CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA 

EDMS id : 

Edition : 1.0 

Date: June 7, 2011 

Level A: Preliminary CTA System 

Performance Requirements Page : 20/25 

4.3.5 Lightning 

Description: A  lightning protection system must be  installed consisting of air  termination points, down conductors, test points and earthing points.  Specification: The lightning protection system must be designed in accordance with national standards, for example in the United Kingdom the relevant standard being BS 62305 (Protection against Lightning). Specification of the lightning protection  system  and modes  of  telescope  operation  during weather  conditions  likely  to  result  in  occurrences  of lightning will be provided in the additional safety documentation for the telescope.  Impact  on  Cost:  The  requirement  to  provide  a  lightning  protection  system  for  the  telescopes within  the  array  is anticipated to be a significant capital cost.  

4.3.6 Precipitation (rain) 

Description: This is defined as the rainfall rate and velocity.  Specification: For normal telescope operation the rainfall rate is specified to be zero. For the critical, emergency and survival conditions  the  rainfall  rate and velocity must be derived  from  rainfall data obtained  from  local or national meteorological institutes.   Justification: Rainfall rate and velocity is expected to be highly dependent upon local climatic conditions, hence local site specific  rainfall data must be applied. Water tightness of enclosures containing critical electrical  items must be specified by an ingress protection rating.  Impact on Performance: Pooling or accumulation of rainwater upon or within the telescope may cause  intermittent operation or  failure of electrical  items and  increase  the  static  loads  imposed upon  the  telescope. Accumulation of rainwater within  hollow members  such  as  telescope  truss  tubes  or mount will  increase  drive  torques  and  power requirements and decrease slew rates. Accumulation of trapped or standing water will lead to corrosion and may also lead to structural damage as a result of ice formation at low temperatures.  Impact on Cost: Specification of enclosures, cabling and electrical connectors that will be resistant to water  ingress will incur additional cost.  

4.3.7 Snow and Ice 

Description: Site  specific  snow and  ice  loads  should be applied  to  the  telescope  structure  in order  to evaluate  the resistance of the telescope structure to accumulated snow or freezing precipitation.   Specification: Site specific snow loads and ice accretion data must be obtained from national or regional specific snow load maps.  Justification: It is suggested that reference be made to national standards, e.g. ASCE 7‐10 Snow Loads (United States), Eurocode 1 Actions on Structures Part 1‐3 General Actions Snow Loads (Europe) or to the relevant national standards for the country concerned.  Impact on  Performance:  Ice  accretion or  snow  accumulation on  the  telescope will  increase  static  loads upon  the telescope due to self weight and  increase static and dynamic  loads due to wind resistance. These  in turn will affect pointing and tracking ability and  increase slew torques and drive power requirements and  increase the total power requirements for the telescope array.  Impact on Cost: Snow or  ice accumulation will  impose  increased static and dynamic  loads upon  the  telescope,  the telescope structure must be designed to withstand these at a consequent increase in cost.  

Page 21: TWiki - Level A: Preliminary CTA System Performance Requirements · 2011-03-31 · CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA EDMS id : Edition : 1.0 Date: June 7, 2011 Level A: Preliminary

CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA 

EDMS id : 

Edition : 1.0 

Date: June 7, 2011 

Level A: Preliminary CTA System 

Performance Requirements Page : 21/25 

 Impact on Other Specifications: Snow and ice loads will also increase static loads upon any telescope enclosure that may be specified.  

4.3.8 Humidity  

Description: The normal operational humidity range is defined as the bound formed by the upper and lower humidity limits for which the telescope will be required to conduct normal operations. The dew point indicates the temperature at which water vapour will condense from the local air mass to form liquid water. The critical and emergency operational humidity  ranges are defined as  the bounds  formed by  the upper and  lower humidity limits for which the telescope must be capable of being operated such that it may be either restored to its normal operating condition or be placed  in a stowed position. The survival humidity  range  is defined as  the bound formed by the upper and lower humidity limits which the telescope must be capable of withstanding without suffering permanent damage.  Specification:     

Parameter  Minimum Value  Maximum Value 

Normal Operating Relative Humidity  5 Percent  95 Percent 

Critical Operating Relative Humidity  0 Percent  100 Percent 

Emergency Operating Relative Humidity  0 Percent  100 Percent 

Survival Relative Humidity  0 Percent  100 Percent 

  Justification:  The  operating  humidity  ranges must  incorporate  both  diurnal  and  annual  humidity  extrema  for  the candidate or actual site  location. Local meteorological data must be consulted so as to assess the potential for dew forming conditions to occur that may prevent normal operation of the telescope due to degraded image quality.  Impact on Performance: Low relative humidity can cause degradation of polymeric or rubber based compounds such as  seals,  couplings or drive belts  and  increase  the possibility of  electrostatic discharge, high  relative humidity  can cause condensation within enclosed spaces such as electrical enclosures. Should the dew point fall below the ambient temperature condensation may  form on optical components and metallic surfaces and the optical  image quality be adversely affected. Dewing of optical surfaces may be mitigated by use of anti dew heating elements embedded into the optics but these will considerably increase optical element complexity and electrical power requirements.  Impact on Cost: Dew  forming on optical surfaces may necessitate the  inclusion of anti dew heaters  into the optics, considerably increasing optic component costs and array operational costs.  

    

Page 22: TWiki - Level A: Preliminary CTA System Performance Requirements · 2011-03-31 · CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA EDMS id : Edition : 1.0 Date: June 7, 2011 Level A: Preliminary

CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA 

EDMS id : 

Edition : 1.0 

Date: June 7, 2011 

Level A: Preliminary CTA System 

Performance Requirements Page : 22/25 

5. L i fecyc le ,  Maintenance  

5.1. Reliability, Availability 

Description: This  is the overall reliability of the array.  It  includes maintenance of the structures and cameras. More detailed  items, such as the reliability of a given telescope size and the pixel failure rate, are specified  in Level B and Level C respectively.   Specification: 80% of the telescopes must be operational in at least 90% of the time and 90% of the telescopes must be operational in at least 80% of the time.   Justification: Assuming  the  array  consist of 100  telescopes,  it  is  (very)  reasonable  that no more  than 10  are non‐operational at one time for a total of 10 weeks, and that no more than 20 of them are non‐operational at one time for a total of 5 weeks. This does not preclude the possibility that all the telescopes are non‐operational for a night or so, or that one or two telescopes could be broken for the entire year (not the same one or two telescopes!).   Qualification: This is a safe goal. It should be possible to exceed this goal with the specified maintenance  level ( 5.2) given a reasonable design.   Impact on Performance: Improving the reliability of the array implies that more telescopes are operational at a given time, increasing the collection area, and sensitivity of the array. If the number of telescopes imaging a given event is consistently higher,  the angular  resolution will be  improved.  If  the  reliability of a given  sub‐system  falls below  this specification, the energy range of the array could be affected. Reduced reliability also  leads to  increased systematic errors on the system performance.  Impact on Cost:  The  running  costs, used  in part  to  fund maintenance  are not  included  in  the  cost  envelope.  It  is therefore tempting to reduce the cost of components at the price of poor reliability and higher maintenance / lower reliability to achieve the highest performance in the cost envelope. This should clearly be avoided. It is also expected that the cost of many replacement parts and components would be purchased upfront to avoid availability issues later on. Estimates must be made of the cost of maintaining the above‐specified reliability for a give design. It must also be assessed  that  if a given design exceeds  this specification, whether  it  is better  to  reduce  the  running costs until  the failure rate drops to the specified value, or to maintain the running costs and benefit from the improved performance.   Impact  on  Other  Specifications:  The  required  reliability  should  be  taken  into  account  in  specifying  the  desired reliability of sub‐systems and assemblies. The reliability also affects the required level of maintenance (as specified in  5.2) and the lifetime of the array ( 5.3).   

5.2. Maintenance 

Description: The  level of maintenance available  to sustain  the  reliability  (as specified  in  5.1)  for  the  lifetime of  the array (as specified in  5.3).   Specification: No greater than 6 person hours per telescope per week in average.  Justification: This equates  to 15  full  time people, assuming 100  telescopes are  to be maintained, and  implies  that about 6 people could access, repair and re‐commission a telescope in less than one working week (40 hours).  Qualification:  This  specification  is  in  place  to  indicate  the  importance  of  considering  maintenance  levels.  Real assessment of the maintenance level should be made during the design stage, and attempts to minimise them should be made.  

Page 23: TWiki - Level A: Preliminary CTA System Performance Requirements · 2011-03-31 · CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA EDMS id : Edition : 1.0 Date: June 7, 2011 Level A: Preliminary

CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA 

EDMS id : 

Edition : 1.0 

Date: June 7, 2011 

Level A: Preliminary CTA System 

Performance Requirements Page : 23/25 

Impact on Performance:  If  the maintenance  level  increases  the  reliability of  the array could be  improved,  thereby affecting  the  performance  as  indicated  in  5.3.1. Naturally,  if  the maintenance  level  is  not  enough  to  sustain  the specified reliability, the performance is reduced in a similar way.  Impact on Cost: The cost of maintenance scales with the number of people employed to maintain the telescopes and the training of such personnel. There is a cost increase associated with maintenance equipment, workshop and office space  that may  increase non‐linearly, when  the number of  “repair  teams”  increases. Note  that  running  costs, and therefore maintenance cost, are not included in the cost envelope.  Impact on Other Specifications: The available  level of maintenance  should be  taken  into account  in  specifying  the desired reliability of sub‐systems and assemblies.   

5.3. Life Time 

Description:  The  expected  operational  lifetime  of  the  array,  defined  by  the  point  at which  the  array  exceeds  the maintenance reliability specified in  5.1. This lifetime excludes major upgrades and the replacement of full telescopes or  cameras.  That  it,  this  lifetime  should  be  obtainable  under  normal maintenance  schedule    (to  be  specified  in proceeding levels) with the original set of telescopes.   Specification: 30 years.  Justification:  To  estimate  a  reasonable  lifetime  to  be  aimed  at,  the  most  critical  components  that  will  not  be completely  replaced  over  that  lifetime  must  be  identified.  If  this  component  is  the  PMTs,  then  30000  hours corresponds  to 30 years assuming 1000 hours of non‐moonlight observations per year, or ~15 years  if we assume 1000 hours of non‐moonlight observations and 500 hours of moonlight observations per year. This exercise should be repeated for mirrors and other components.  The  second  critical  contribution  to  the  lifetime  of  CTA  is  expected  to  be  fatigue  in  the  telescopes.  For  normal operation it is expected that three slewing motions of the telescope may be made in a one hour period, therefore the fatigue life of the telescopes and their assemblies must be evaluated for a minimum of 150000 slew operations. Each slew operation is defined as an acceleration of the telescope from rest to its maximum slew speed, motion at constant velocity  at maximum  slew  speed  and  a deceleration of  the  telescope  from  the maximum  slew  speed  to  rest. The acceleration and deceleration magnitudes may be derived from the slew rate.  Fatigue damage may be assessed by applying the maximum acceleration amplitudes to calculate maximum strain or stress amplitudes and then applying a damage summation technique such as Miners Rule to evaluate the resistance of the telescope structure to fatigue. In addition  it  is possible that the natural  frequencies of structural members such as truss tubes could coincide with vortex  shedding  frequencies  over  the  operational  wind  speed  range.  Therefore  in  order  to  avoid  wind  induced excitation of resonant modes of  items such as the truss tubes  in the optical tube assembly,  it  is suggested that the natural  frequencies  of  items  such  as  truss  tubes  are  checked  against  vortex  shedding  frequencies  obtained  by calculation of the Strouhal number.  Qualification: This is an order of magnitude that should be aimed at. It is somewhere between a specification and an estimate based on current hardware. It is clearly desirable to exceed this specification.  Impact on Performance: The total exposure available to CTA obviously depends on the lifetime of the array. However, none of the performance criteria directly depend on the array lifetime. Designs may be available that offer increased lifetimes at the price of decreased performance within the cost envelope.   Impact  on  Cost:  It may  be  possible  to  increase  the  lifetime  of  the  array  by  spending more money  on  given  sub‐systems,  assemblies  and  components.  The  cost  ratio  between  different  sub‐systems,  assemblies  and  components should take this into account.   

Page 24: TWiki - Level A: Preliminary CTA System Performance Requirements · 2011-03-31 · CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA EDMS id : Edition : 1.0 Date: June 7, 2011 Level A: Preliminary

CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA 

EDMS id : 

Edition : 1.0 

Date: June 7, 2011 

Level A: Preliminary CTA System 

Performance Requirements Page : 24/25 

Impact on Other Specifications: The  lifetime of  the array  is affected by  the  specified  reliability of  the array.  If  the reliability constraint is loosened, the defined lifetime increases. The lifetime of each component and even part should be considered at the design stage. At the lower specification levels the lifetime of sub‐systems and assemblies should be  considered  in  the  context  of  that  specified  here,  to  give  a  clear  idea  at  the  design  stage  of  lifetime‐critical assemblies and components.    

5.4. Safety 

Safety specifications and procedures will be contained in another document. Every component specified in the set of requirement  documents  (Level  B  and  below)  must  conform  to  these  safety  specification.

Page 25: TWiki - Level A: Preliminary CTA System Performance Requirements · 2011-03-31 · CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA EDMS id : Edition : 1.0 Date: June 7, 2011 Level A: Preliminary

CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA 

EDMS id : 

Edition : 1.0 

Date: June 7, 2011 

Level A: Preliminary CTA System 

Performance Requirements Page : 25/25 

 

Page 26: TWiki - Level A: Preliminary CTA System Performance Requirements · 2011-03-31 · CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA EDMS id : Edition : 1.0 Date: June 7, 2011 Level A: Preliminary

CTA Ref : TPC‐SPECS/110331b CTA 

EDMS id : 

Edition : 1.0 

Date: June 7, 2011 

Level B: Preliminary CTA Sub‐System 

Performance Requirements Page : 1/12 

 

  

Level B: Preliminary CTA Sub‐System Performance Requirements 

   

Author  Laboratory    Approved by  Laboratory 

Konrad Bernlöhr (konrad.bernloehr@mpi‐hd.mpg.de)  

Oscar Blanch Bigas ([email protected])   

Rodolfo Canestrari ([email protected]

Carlos Delgado ([email protected]

Andreas Förster (andreas.foerster@mpi‐hd.mpg.de) 

German Hermann  

                              (german.hermann@mpi‐hd.mpg.de) 

Jim Hinton ([email protected]

Bruno Khélifi ([email protected]

Pascal Vincent ([email protected]

Richard White ([email protected]

plus members of the CTA Design Study Work Packages 

  German Hermann (Technical Coordinator),  

March 31st, 2011 

Project Committee,  June 7, 2011 

 

  

Applicable Documents 

No.  Version  Ref.  Date  Title 1  1.0  TPC‐

SPECS/110331c 2011‐06‐07 Reference  Documents  for  Preliminary  CTA  Performance 

Requirements Level A and B  

         

         

  

History 

Edition  Date  Observation 0.0  2011‐03‐31  New document 

1.0  2011‐06‐07  Added plot and refined wording in sec. 4.8 « signal charge resolution » 

     

 

Distribution  CTA internal 

        

Page 27: TWiki - Level A: Preliminary CTA System Performance Requirements · 2011-03-31 · CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA EDMS id : Edition : 1.0 Date: June 7, 2011 Level A: Preliminary

CTA Ref : TPC‐SPECS/110331b CTA 

EDMS id : 

Edition : 1.0 

Date: June 7, 2011 

Level B: Preliminary CTA Sub‐System 

Performance Requirements Page : 2/12 

‐ Table of Contents ‐  

1.  INTRODUCTION  3 

2.  SUB‐SYSTEM FUNCTIONALITY  3 

2.1.  LST  3 2.2.  MST  3 2.3.  SST  3 

3.  TELESCOPE REQUIREMENTS  4 

3.1.  MOUNT TYPE  4 3.2.  PRIMARY REFLECTOR DIAMETER  4 3.3.  OPTICAL POINT SPREAD FUNCTION  4 3.4.  FOCAL LENGTH, DISH SHAPE  4 3.5.  TELESCOPE POSITIONING AND TRACKING RANGE  5 

3.5.1 Positioning Range During Observation  5 3.5.2 Positioning Range During Technical Tests  5 3.5.3 Positioning Range During Stow / Service  5 3.5.4 Tracking Range and Tracking Speed  5 

3.6.  SLEW SPEED  5 3.7.  AXIS TRACKING PRECISION  6 3.8.  FOCAL PLANE POSITIONING  6 3.9.  POINTING PRECISION POST‐CALIBRATION  6 3.10. OPTICAL THROUGHPUT  6 

4.  CAMERA REQUIREMENTS  7 

4.1.  CAMERA FIELD OF VIEW  7 4.2.  PIXEL SIZE  7 4.3.  CAMERA WEIGHT  8 4.4.  ENVIRONMENTAL CONTROL  8 4.5.  PIXEL SIGNAL DYNAMIC RANGE  8 4.6.  CAMERA PHOTON DETECTION EFFICIENCY  8 4.7.  CAMERA HOMOGENEITY  8 4.8.  SIGNAL CHARGE RESOLUTION  9 4.9.  SIGNAL TIME RESOLUTION  10 4.10. MINIMUM GAMMA‐RAY IMAGE AMPLITUDE  11 4.11. CAMERA DEAD TIME  11 4.12. ALLOWED TRIGGER RATE DUE TO NIGHT SKY BACKGROUND  11 4.13. TRIGGER AND READOUT RATE TO HANDLE  11 

5.  ARRAY TRIGGER  12 

 

Page 28: TWiki - Level A: Preliminary CTA System Performance Requirements · 2011-03-31 · CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA EDMS id : Edition : 1.0 Date: June 7, 2011 Level A: Preliminary

CTA Ref : TPC‐SPECS/110331b CTA 

EDMS id : 

Edition : 1.0 

Date: June 7, 2011 

Level B: Preliminary CTA Sub‐System 

Performance Requirements Page : 3/12 

1. Introduct ion  

This  Level  B  document  captures  performance  requirements  for  the  LST, MST  and  SST  sub‐systems  of  CTA.  The “Common  Sub‐system  Requirements”  described  here  are  those  specifications  applicable  to  all  three  telescope subsystems.    

2. Sub ‐system  Funct ional i ty  

2.1. LST 

The LSTs sub‐system provides:  A) Sensitivity  in the 20‐100 GeV domain (and  improved sensitivity up to ~200 GeV) when working together with the MSTs [RD2]. Above 200 GeV, the larger number of MST will significantly overpass the contribution from the LST.  B) An independent system with sensitivity in the 20 GeV ‐ 5 TeV domain for rapid response to transient phenomena and variable objects at cosmological distances.  

2.2. MST 

The MST sub‐system provides:  A) Substantially  improved  sensitivity and  resolution  in  the 0.1‐10 TeV domain when working  together with  the SST and/or LST sub‐arrays [RD2].  B) An independent system with 0.1‐30 TeV sensitivity to extended objects and with wide FoV for survey capability.  

2.3. SST 

The SST sub‐system provides:  A) Multi square kilometer collection area at energies above 10 TeV,  with sensitivity up to at least 300 TeV and trigger threshold not greater than 1 TeV when working alone and with wide FoV for survey capability [RD2].  B) A cost effective way of  improving collection area and  sensitivity above ~ 1 TeV, working  together with  the MST array       

Page 29: TWiki - Level A: Preliminary CTA System Performance Requirements · 2011-03-31 · CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA EDMS id : Edition : 1.0 Date: June 7, 2011 Level A: Preliminary

CTA Ref : TPC‐SPECS/110331b CTA 

EDMS id : 

Edition : 1.0 

Date: June 7, 2011 

Level B: Preliminary CTA Sub‐System 

Performance Requirements Page : 4/12 

3. Telescope  Requirements  

3.1. Mount Type 

All telescopes should use Alt‐Azimuth mount (see [RD8]).  Deviation from this standard may add unnecessary complications to the control and positioning systems, and can only be justified through significant cost advantages over the full life cycle.  

3.2. Primary Reflector Diameter 

The collection areas given below are for a system with nominal mirror reflectivity, shadowing and photon detection efficiency (see [RD1] for a full description of the reference system parameters as  introduced  in Level A Section 3.1). The telescopes of each sub‐system should result in an equivalent light‐collection power.  LST: The requirement of about 400 m2 collection area corresponds to a dish diameter of approximately 23 m.  MST: The requirement of about 100 m2 collection area corresponds to a dish diameter of approximately 12 m. SST: The requirement of a about 10‐40 m2 collection area corresponds to a dish diameter of greater than 3.5 m and less then 7 m.  

3.3. Optical Point Spread Function 

The optical performance of a  telescope can be expressed  in  terms of  the 80% containment diameter of  the optical point‐spread‐function  (PSF), θ80, which will  vary  as  a  function of position  in  the  field of  view.  To  avoid  significant degradation  of  sensitivity  over  the majority  of  the  field  of  view  the  value  of  θ80  should  be  kept  below  the  pixel diameter out to 80% of the camera radius.  In the case that the telescope structure cost  is strongly dominant and  increases significantly with  focal  length  (as  is likely the case for the LSTs of CTA), it may be appropriate to violate this constraint: keeping θ80 smaller than the pixel diameter over a minimum optically high‐quality camera  field of view of 2.5° diameter. This minimum optically high‐quality field of view, and the presence of detector pixels somewhat oversampling the PSF at considerably larger radii (up to at least 4.2° diameter) are considered to be the minimum requirement for effective wobble mode observations of point‐like sources. On the optical axis, θ80  should be below about 0.1° diameter over the full elevation range, used for observations. This is important for achieving the required pointing precision (see section  3.9) and to reduce systematic errors. For optical designs, where this goal cannot be achieved, alternative methods to monitor the optical alignment are required.  

3.4. Focal Length, Dish Shape 

Mirror  systems will be segmented  to  reduce cost. Spherical segments are envisaged  for all  telescope designs apart from those involving secondary optics. Single reflector designs can be characterised by the focal length and the radius of curvature of the dish.   LST: The requirement of a dish diameter of approximately 23 m and the gamma‐ray field of view described in Level A impose a minimum focal length of 28 m for an intermediate dish shape (radius of curvature of the dish = 1.5 …. 1.6 x focal  length)  for a minimum  field of view of 4.2°. A  larger  focal  length makes  the balance and construction of  the telescope more demanding but enables high quality imaging in the camera up to larger off‐axis angles. An f/D of 1.3 is appropriate for a 5° camera FoV and 0.1° pixels.   

Page 30: TWiki - Level A: Preliminary CTA System Performance Requirements · 2011-03-31 · CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA EDMS id : Edition : 1.0 Date: June 7, 2011 Level A: Preliminary

CTA Ref : TPC‐SPECS/110331b CTA 

EDMS id : 

Edition : 1.0 

Date: June 7, 2011 

Level B: Preliminary CTA Sub‐System 

Performance Requirements Page : 5/12 

MST: The requirement of a dish diameter of approximately 12 m and the gamma‐ray field of view described in Level A impose a minimum  focal  length of 16 m  for a spherical dish shape with  radius of curvature 19.2 m  (a compromise between time‐spread and off‐axis performance, see [RD9]).  SST: Several options that meet the gamma‐ray  field of view  requirement described  in Level A  for  the  required dish diameter of greater than 3.5 m are under consideration.   

3.5. Telescope Positioning and Tracking Range 

All telescopes of all sub‐systems are required to meet the following: 

3.5.1 Positioning Range During Observation

Elevation: at least 25°‐91° Azimuth: at least ±270° from parking position, depending on geographical latitude.  No repositioning (no azimuth wrap‐around) during observation should be required to follow any given source. Safety considerations may imply a larger range. 

3.5.2 Positioning Range During Technical Tests

Elevation: at least 25°‐95° Azimuth: as for observations 

3.5.3 Positioning Range During Stow / Service

Elevation: <0° Azimuth: anti‐solar at noon.  The  stowing  position  should  provide  easy  access  to  the  camera.  A  fixation  point  close  to  ground  level  is recommended.  

3.5.4 Tracking Range and Tracking Speed

The telescope should be able to follow any target in the observation range for earth rotation at least for zenith angles of larger than 0.5° within tracking and pointing precisions as detailed in sections  3.7 and  3.9.  If feasible without major cost implications zenith angles of down to 0.1° to 0.2° should be accessible.  Implications on maximum tracking speeds depend on the geographical latitude.  

3.6. Slew Speed 

A change  in axis pointing  from, and  to, anywhere  in  the specified “Position Range During Observations”  (section  0) should be possible within about 1 minute  for  the LST and MST  telescope, and within about 2 minutes  for  the SST telescopes. This  corresponds  to a maximum  required azimuth  velocity of about 360°  /min and 180°  /min  azimuth velocity, respectively, if the dish of the telescope cannot be used in “reverse” mode, with elevation angles larger 90°. 

Page 31: TWiki - Level A: Preliminary CTA System Performance Requirements · 2011-03-31 · CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA EDMS id : Edition : 1.0 Date: June 7, 2011 Level A: Preliminary

CTA Ref : TPC‐SPECS/110331b CTA 

EDMS id : 

Edition : 1.0 

Date: June 7, 2011 

Level B: Preliminary CTA Sub‐System 

Performance Requirements Page : 6/12 

3.7. Axis Tracking Precision 

The required precision of the orientation of the telescope axis duration source during astrophysical tracking within the “Position  Range  During  Observations”  is  better  than  1%  of  the  field  of  view  diameter  on  each  axis.  This  value represents roughly 2.5 arc minutes for the LST, 5 arc minutes for the MST, and 5 arc minutes for the SST. Short term (< 1 min) non‐reproducible tracking deviations should be kept well below that, as they would cause a problem to achieve the required post calibration pointing precision.  

3.8. Focal Plane Positioning 

In the Z‐direction this is defined as the precision with which the entrance window of the camera pixels (e.g. the input area of light guides in front of the photosensors) should coincide with the focal plane during the observations. In the X and Y directions this is defined as the positioning accuracy of the pixels within this plane.  

In z: any movement that causes defocus should be < 25% of a pixel diameter.  

In x, y: any movement should be less than 5% of the FoV. Short term (< 1 min) movements should be well below that level. 

 This prevents significant degradation of the optical PSF and the consequential impact on performance and stability.   

3.9. Pointing Precision Post‐Calibration 

The  required precision  for  the viewing direction of  the camera pixels on  the  sky  ( post‐calibration, after correction using a guide camera and/or pointing correction model) within the “Position Range During Observations” should be less than 7 arc seconds rms in space angle ( 5 arc seconds in elevation and 5 arc seconds/sin(elevation) in azimuth).   

3.10. Optical Throughput 

The optical throughput of the telescope is the ratio of the number of photons reaching the camera to the number of Cherenkov photons arriving at the telescope. It includes the specular reflection of the dish and the shadowing by the telescope structure. Averaged over  the  atmospheric Cherenkov  spectrum  at  ground  in  the wavelength  range  from 300  to 550 nm  the optical throughput should be at least 70 % (e.g. > 80 % mirror reflectivity and ~10 % shadowing by the structure).   

Page 32: TWiki - Level A: Preliminary CTA System Performance Requirements · 2011-03-31 · CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA EDMS id : Edition : 1.0 Date: June 7, 2011 Level A: Preliminary

CTA Ref : TPC‐SPECS/110331b CTA 

EDMS id : 

Edition : 1.0 

Date: June 7, 2011 

Level B: Preliminary CTA Sub‐System 

Performance Requirements Page : 7/12 

4. Camera  Requirements  

4.1. Camera Field of View 

The angular diameter (or equivalent thereof) of the camera field of view is determined by the required “Gamma‐Ray Field of View” as introduced in Level A and varies between the telescopes of the different sub‐systems as follows:  

LST: 4.2 – 5 degrees   For a camera smaller than 4 degrees in diameter, a significant degradation on the sensitivity is expected even for point like sources. A larger camera may be needed for extended sources or field of views with several sources, and also for enhanced control of background systematics (see references: [RD10, RD11]).  

MST: 7 – 8 degrees 

 Below 6° there is a significant decrease of the collection area; between 6° and 7° there is no variation in sensitivity for on‐axis sources but a reduction for off‐axis sources. Additionally the gamma‐ray PSF for off‐axis observations depends strongly on the camera field of view (see references: [RD10, RD11])..  

SST: 7 – 10 degrees 

The gamma‐ray field of view of the SST should be similar to that of the MST. A somewhat larger camera field of view than for the MST may be required, as the typical inter‐telescope spacing very likely exceeds that of the MST sub‐system.  The shape of the camera field of view should be close to circular in order to reduce the fraction of images clipped at the edge.  

 

4.2. Pixel Size 

The angular pixel pitch or spacing (the angular distance between the centers of adjacent pixels) of the camera pixels is determined  by  the  properties  of  Cherenkov  images  produced  by  gamma  rays  in  the  target  energy  ranges  of  the different sub‐systems  (see Section  2). For a given  focal  length this corresponds to a  linear spacing within which the physical pixel size should fit in, with minimal dead space (which is assumed to be zero in the following).  LST: 0.07 – 0.12°. The optimum size is likely between 0.07° and 0.1° to optimize the sensitivity at the lowest energies, while ignoring cost implications (~ factor of 2 in camera cost).  It is recommended to use  the same linear pixel size of 50 mm  LST and MST telescopes. This leads to 0.09° for f=31 m, 0.1° for f=28 m. Preliminary studies (not focused on the lowest energies) showed that no improvement was observed with pixel sizes below 0.1° (see references: [RD13].  MST:  about  0.18°. Above  0.2°  a  reduction  of  the  sensitivity  (due  to  reduced  gamma/hadron  separation  power)  is expected; below 0.15° no improvement is expected, but camera cost would increase significantly. A linear pixel size of 50 mm is recommended for a telescope focal length of 16 m (see references: [RD14, RD15]), resulting a pixel size of 0.179°.  SST: 0.18° – 0.28°. The pixel size of the SST requires cost/performance in the range and will depend on the SST option chosen.  Note that if non‐hexagonal pixels are employed, the solid angle subtended should be equal to that of the hexagonal case defined here.  

Page 33: TWiki - Level A: Preliminary CTA System Performance Requirements · 2011-03-31 · CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA EDMS id : Edition : 1.0 Date: June 7, 2011 Level A: Preliminary

CTA Ref : TPC‐SPECS/110331b CTA 

EDMS id : 

Edition : 1.0 

Date: June 7, 2011 

Level B: Preliminary CTA Sub‐System 

Performance Requirements Page : 8/12 

 

4.3. Camera Weight 

The camera weight should be minimized to reduce the cost of the supporting structure. With this in mind, and based on the approximate number of pixels  in each  telescope  type,  the current sub‐system  telescope specific  limit are as follows: 

LST:     2000 kg   MST:     2500 kg   SST:    1500 kg  

4.4. Environmental Control 

The telescopes will be built without a protecting shelter or dome. Therefore the cameras will be exposed to possibly harsh environmental conditions. Proper pre‐cautions, like sealing, temperature control, lightning protection, etc. have to be implemented.  

4.5. Pixel Signal Dynamic Range 

The required pixel signal dynamic range is determined by the required telescope sub‐system energy range and impact distance range required. Gamma‐ray showers of any energy and impact distance within this range should be recorded without  significant  impact  on  performance  due  to  pixel  signal  saturation  or  other  dynamic  range  limitations.  The required values are currently under  investigation and the current recommendations are roughly 1 – 3000 pe  for all pixels in all telescopes of all sub‐systems (see [RD2]) .  Electronic resolutions down to about 0.2 photoelectron‐equivalent may be useful for calibration purposes, but could be compensated for by other calibration methods. Large dynamic ranges of the electronics chain may require the use of two electronics channels of different gain per pixel, of which the low gain channel may be read out at lower speed.  

4.6. Camera Photon Detection Efficiency 

The Photon Detection Efficiency of the camera is defined as the probability of a photon arriving at the camera, coming from  the dish,  contributes  to a detectable  signal  in  the  camera. This  includes e.g.  the  throughput of  the entrance window, the light guides, the quantum and collection efficiency of the photomultipliers, as well as any loss of signal in the digitization scheme, e.g due to too small and misplaced readout windows  Averaged over  the atmospheric Cherenkov  spectrum at ground  in  the wavelength  range  from 300  to 550 nm,  the camera photon detection efficiency is required to be at least 12 %.  Improvements  in photon detection efficiency are possible, through, for example using sBA / uBA photocathodes for photomultipliers, but such gains must be achieved  in a cost‐effective way, and without substantial  increases  in  the rate of noise signals above 4 photoelectron amplitudes (such as afterpulses).  

4.7. Camera Homogeneity 

The camera homogeneity defines the relative response of a camera  for showers being recorded at any place  in the camera  after  calibration  (flat  fielding  etc).  The  camera  homogeneity  includes  the  difference  in  photon‐detection efficiency,  trigger  efficiency  and  readout  effects  post‐calibration,  and  should  be  stable  to  within  values  to  be 

Page 34: TWiki - Level A: Preliminary CTA System Performance Requirements · 2011-03-31 · CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA EDMS id : Edition : 1.0 Date: June 7, 2011 Level A: Preliminary

CTA Ref : TPC‐SPECS/110331b CTA 

EDMS id : 

Edition : 1.0 

Date: June 7, 2011 

Level B: Preliminary CTA Sub‐System 

Performance Requirements Page : 9/12 

determined, to minimise systematic effects and improve reliability of the subsystem. Studies are underway to provide specifications for this parameter for the different sub‐systems.  

4.8. Signal Charge Resolution 

The lower limit for the charge resolution of a PMT‐camera channel is given by the Poisson fluctuation in the number of photoelectrons  (p.e.)  generated  by  the  incoming  photons  and  the  intrinsic  excess  noise  factor  (ENF)  of  the photomultipliers, which is typically in the range of 1.1‐1.2. The theoretical limit for the relative charge resolution of a signal of N  p.e. in a PMT camera is therefore given by:  

dQ/Q = ENF / sqrt(N) ~ 1.15 /sqrt(N)   [1.1 to 1.2 / sqrt(N)]  In the presence of a typical night sky background level in a dark region of the sky (see Lvl A requirements) , the charge resolution for signals from 5 to several hundred photoelectrons should not exceed this theoretical limit by more than another factor of 1.2 . For larger signals, a relative charge resolution per pixel of about 5 %, e.g. dominated by phase errors in the signal sampling, is acceptable. Table 1 give examples of the required resolution for different amplitudes. Figure 1 shows the relative contributions.             Table  1  :  Examples  of  required  relative  charge  resolution  dQ/Q  for  different  Cherenkov  light  signal  amplitudes, expressed in units of photoelectrons. 

20 50

44 10

62 5

dQ / Q [%] Signal [p.e.]

5 3000

7 600

14 100

dQ / Q [%] Signal [p.e.]

Page 35: TWiki - Level A: Preliminary CTA System Performance Requirements · 2011-03-31 · CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA EDMS id : Edition : 1.0 Date: June 7, 2011 Level A: Preliminary

CTA Ref : TPC‐SPECS/110331b CTA 

EDMS id : 

Edition : 1.0 

Date: June 7, 2011 

Level B: Preliminary CTA Sub‐System 

Performance Requirements Page : 10/12 

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

1 10 100 1000 10000

Signal photo electrons

Re

so

luti

on

[%

]

Poisson

addt'l ENF= "theoret. lim."

addtl' NSB

Addt'l Phase

Requirement

 

Figure  1  Relative  charge  resolution  dQ/Q  for  different  Cherenkov  light  signal  amplitudes,  expressed  in  units  of photoelectrons  (p.e.)  .  The  red  line  describes  the  required  performance.  The  other  lines  are  for  reference,  and illustrate the contributions of different effect to the charge resolution. Black:  limit due to poissonian fluctuations  in number of p.e. released from the photocathode. Pink line includes the ENF of the tube, the blue one adds in addition the effect of the night sky background, here assumed with a mean contribution of 1 p.e. per  readout window. The green line indicates the transition from the statics limited regime to the regime, where the resolution is limited by e.g. phase errors. 

 

4.9. Signal Time Resolution 

Pulse  arrival  time  information  in  pixels  can  help  to  reduce  the  impact  of  night  sky  background  on  the  image reconstruction. In addition the use of the time gradient across an image might improve shower reconstruction.   The  Signal  Time  Resolution  of  a  camera  pixel  is  defined  as  the  resolution  for  the measured  arrival  time  of  the Cherenkov light pulse in the pixel, after calibration. The resolution is influenced e.g. by the intrinsic PMT transit time jitter, the night sky background, electronics noise, as well as by the time reconstruction method.  For signal amplitudes of more than 5 photoelectrons a pixel charge resolution of better than 2 ns  is required under normal night sky background conditions (see Level A, sec. 4.1.1).  

Page 36: TWiki - Level A: Preliminary CTA System Performance Requirements · 2011-03-31 · CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA EDMS id : Edition : 1.0 Date: June 7, 2011 Level A: Preliminary

CTA Ref : TPC‐SPECS/110331b CTA 

EDMS id : 

Edition : 1.0 

Date: June 7, 2011 

Level B: Preliminary CTA Sub‐System 

Performance Requirements Page : 11/12 

4.10. Minimum Gamma‐Ray Image Amplitude 

A gamma‐ray  image  illuminating a compact region  located  in any region over 90% of the area of the camera, which triggers  a  given  camera  with  50%  probability,  should  have  a  total  minimum  intensity  no  larger  than  100 photoelectrons for all telescopes of all sub‐systems.   

4.11. Camera Dead Time 

The dead  time of a  camera of any  telescope within any  sub‐system  should not  violate  the  requirement  in  Level A Section 3.8, and should be on average less than 5% under normal operation conditions.  

4.12. Allowed Trigger Rate due to Night Sky Background 

Cherenkov cameras also trigger due to fluctuations and signals induced by the background light of the night sky. These background triggers can introduce dead time for the cameras and the system, but also an irreducible background for the analysis, depending on the trigger condition of the cameras.  At  the nominal setting of the  trigger  to achieve  the  required minimum gamma‐ray  image amplitude  (see  4.10), the allowed camera trigger rate due to night sky background should be less than about 5 kHz. In case of a camera trigger condition that already requires the image to resemble gamma‐ray images this value is reduced to about 100 Hz.  

4.13. Trigger and readout rate to handle 

The cameras need to be able to operate at a sustained camera trigger and readout rate of at least 10 kHz for the LST and MST and 1 kHz for the SST, within the given dead time limits (see  4.11).   

 

Page 37: TWiki - Level A: Preliminary CTA System Performance Requirements · 2011-03-31 · CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA EDMS id : Edition : 1.0 Date: June 7, 2011 Level A: Preliminary

CTA Ref : TPC‐SPECS/110331b CTA 

EDMS id : 

Edition : 1.0 

Date: June 7, 2011 

Level B: Preliminary CTA Sub‐System 

Performance Requirements Page : 12/12 

5. Array  Tr igger  

The array trigger is a central sub‐system that enables the selection of events online during operation, which have been detected by a predefined minimum number of telescopes, or predefined combinations of telescopes (see references: [RD3, RD4, RD5]). The array trigger serves to reduce the rate of acquired background events, while keeping gamma‐ray like events with high efficiency.  It  is used  to  reduce  the dead  time of  the  telescope  system,  generated either by dead  time of  the camera  readout,  or  by  limitation  in  the  data  handling  capabilities.  It  consists  at minimum  of  a  timing  system,  to measure  the  relative arrival  time of events at  the  telescopes and a  central  software‐ or hardware‐based unit  that derives the array trigger decision. The array trigger decision is based on trigger information, provided by the telescopes. Asynchronous trigger schemes, as well  as  synchronous  schemes  could  be  envisaged. Using  up‐to‐date  technology  for  event  digitization  and  data buffering, an asynchronous, software‐based scheme is preferred.  The array  trigger needs  to be configurable  in  the parameters below. The optimization of  the  settings will be done through Monte Carlo simulations.   The array trigger system shall provide the following features:  

1) relative  timing  information  for  the event arrival  time at  the  telescopes with accuracies of better  than 5 nsec (rms). 

2) response  time of  less  than 100 msec  in an asynchronous  scheme, or  less  than 3 usec  in a  synchronous scheme, including signal travel time between the array trigger unit at the telescopes. 

3) measurement of absolute event arrival time information with an accuracy of better 10 usec  

4) option to be freely configurable on the number and configuration of sub‐arrays that might be operational in parallel. 

5) configurable coincidence time window from a few nsec up to several hundred (~400) nsec, depending on telescopes type and position. 

6) configurable time window for accepting data from other telescopes after a valid array trigger has occurred.  

7) option to measure the dead time of the telescopes and the sub‐arrays 

8) provide info on event by event basis, which telescopes contribute to the event and which telescopes might have been busy. 

9) option  to base  the  trigger decision on additional event  information  from  the  telescopes,  like e.g.  image intensity or location inside the camera. 

10) shall be able to operate at array trigger rates of > 30 kHz, and sustained single telescope trigger rates of  10‐20 kHz.  

 

Page 38: TWiki - Level A: Preliminary CTA System Performance Requirements · 2011-03-31 · CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA EDMS id : Edition : 1.0 Date: June 7, 2011 Level A: Preliminary

CTA Ref : TPC‐SPECS/110331c CTA 

EDMS id : 

Edition : 1.00 

Date: June 7, 2011 

Reference Documents for Preliminary CTA Performance Requirements Level A and B 

Page : 1/2 

 

  

Reference Documents for Preliminary CTA Performance Requirements Level A and B   

  

Author  Laboratory    Approved by  Laboratory 

Konrad Bernlöhr (konrad.bernloehr@mpi‐hd.mpg.de)  

Oscar Blanch Bigas ([email protected])   

Rodolfo Canestrari ([email protected]

Carlos Delgado ([email protected]

Andreas Förster (andreas.foerster@mpi‐hd.mpg.de) 

German Hermann  

                              (german.hermann@mpi‐hd.mpg.de) 

Jim Hinton ([email protected]

Bruno Khélifi ([email protected]

Pascal Vincent ([email protected]

Richard White ([email protected]

plus members of the CTA Design Study Work Packages 

  German Hermann (Technical Coordinator) 

March 31st, 2011 

    

History 

Edition  Date  Observation 0.0  2011‐03‐31  New document 

1.0  2011‐06‐07  Added few WWW links 

     

 

Distribution  CTA internal   

                

Page 39: TWiki - Level A: Preliminary CTA System Performance Requirements · 2011-03-31 · CTA Ref : TPC‐SPECS/110331a CTA EDMS id : Edition : 1.0 Date: June 7, 2011 Level A: Preliminary

CTA Ref : TPC‐SPECS/110331c CTA 

EDMS id : 

Edition : 1.00 

Date: June 7, 2011 

Reference Documents for Preliminary CTA Performance Requirements Level A and B 

Page : 2/2 

[RD1] The CTA consortium:  Design Concepts for the Cherenkov Telescope Array CTA” (arXiv:1008.3703)  [RD2] White, R.  J. et. al., “Energy Ranges and Dynamic Ranges  for  the CTA Telescopes”, CTA  Internal Note, March, 2011, http://www.cta‐observatory.org/ctawpcwiki/index.php/File:RW_EnergyAndDynamicRanges.pdf  [RD3]  Bulian,  N.  et.  al.,  "Characteristics  of  the  Multi‐Telescope  Coincidence  Trigger  of  the HEGRA IACT System", Astroparticle Physics, Volume 8, Number 4, pp. 223‐233, 1998  [RD4] Funk, S., et. al., "The trigger system of the H.E.S.S. telescope array", Astroparticle Physics, Volume 22, Issue 3‐4, p. 285‐296, 2004  [RD5] Hermann, G. et. al., “A Trigger and Readout Scheme  for  future Cherenkov Telescope Arrays”, 4th Heidelberg International Symposium on High Energy Gamma‐Ray Astronomy, 2008,   http://arxiv.org/abs/0812.0762  [RD6] Bernlöhr, K., et. al., "Report of the TRIG Subtask", CTA Internal Note, November, 2009, http://www.cta‐observatory.org/ctawpcwiki/images/4/41/CTA_MC_SubTaskRep09_Trigger_v2.pdf  [RD7]  Benn,  C.  and  Ellison,  S.,  “LA  Palma  Night‐Sky  Brightness”,  New  Astronomy  Reviews  42,  503,  1998,  astro‐ph/9909153  [RD8] Panter, M., “Work Packages TEL and MIR”, TEL / MIR WP Meeting, Heidelberg, March, 2010 http://www.cta‐observatory.org/ctawpcwiki/images/1/13/WP_TEL_HD0310_panter.pdf  [RD9] Bernlöhr, K., “A comparison of optical point‐spread functions for a 12‐m IACT”, CTA Internal Note, November, 2009,  http://www.cta‐observatory.org/ctawpcwiki/images/a/ab/CTA_MC_Note4_MST_PSF.pdf  [RD10] Hinton,  J.,  “Field‐of‐view Optimisation  in  the presence of  Systematics”, CTA Consortuim Meeting,  Zeuthen, May, 2010 http://www.cta‐observatory.org/ctawpcwiki/images/1/17/Mc zeuthen fov hinton.pdf  [RD11]  Colin,  P.,  “Off‐axis  performances  studies”,  MC  WP Meeting,  Leicester, March  2011,  http://www.lsw.uni‐heidelberg.de/indico/getFile.py/access?contribId=7&resId=0&materialId=slides&confId=51  [RD12] G. Maier, “Off‐axis performances“, CTA Consortuim Meeting, Zeuthen, May, 2010, http://www.cta‐observatory.org/ctawpcwiki/images/4/4b/Mc_zeuthen_offaxis_maier.pdf  [RD13] Bernlöhr, K., Funk, S. & Hinton,    J. “CTA Monte Carlo Work Package: Subtask Pixel Size Status Report”, CTA Internal Note, September 2009  http://www.cta‐observatory.org/ctawpcwiki/images/e/e6/CTA_MC_SubTaskRep09_PixelSize.ps  [RD14] Bernlöhr, K., “Performance of Heidelberg CTA configurations”, MC WP Meeting, Berlin, May, 2008,  http://www.cta‐observatory.org/ctawpcwiki/images/a/a6/Kb_performance.pdf  [RD15] Funk, S., “MC Studies”, Heidelberg, MC WP Meeting, July, 2008, http://www.cta‐observatory.org/ctawpcwiki/images/e/eb/WP_MC_Heidelberg_Funk_Sim.ppt