[論文レビュー] An Analog Trigger System for Atmospheric Cherenkov Telescopes

M. Barceló, J. A. Barrio+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 11, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 3被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、中型および大型サイズのチェレンコフ望遠鏡（CTA）において、7ピクセルのヘキサゴナルクラスタ内のピクセル信号を集約することで、低バックグラウンドレートで高効率なガンマ線検出を実現するアナログトリガーシステムを提案する。モジュラーなL0およびL1段階を介してアナログ和および多数決トリガーシステムを統合することで、全遅延190 ns、1%未満のデッドタイム、0.2 phe未満のノイズを達成し、CTAの性能要件を満たすとともに、望遠鏡カメラへの完全な統合適合性を有する。

ABSTRACT

Arrays of Cherenkov telescopes typically use multi-level trigger schemes to keep the rate of random triggers from the night sky background low. At a first stage, individual telescopes produce a trigger signal from the pixel information in the telescope camera. The final event trigger is then formed by combining trigger signals from several telescopes. In this poster, we present a possible scheme for the Cherenkov Telescope Array telescope trigger, which is based on the analog pulse information of the pixels in a telescope camera. Advanced versions of all components of the system have been produced and working prototypes have been tested, showing a performance that meets the original specifications. Finally, issues related to integrating the trigger system in a telescope camera and in the whole array will be dealt with.

研究の動機と目的

• 中型および大型サイズのCTA望遠鏡向けに、低遅延・高効率なアナログトリガーシステムを開発し、バックグラウンドトリガーレートを低減しながらも高ガンマ線検出効率を維持すること。
• カメラの7ピクセルヘキサゴナルクラスタ設計と将来のASIC統合に完全適合するモジュラーでスケーラブルなトリガーアーキテクチャを実装すること。
• 和および多数決の2つのトリガーシステムをサポートし、低エネルギーガンマ線（<200 GeV）に対する感度を向上させること。
• 既存の読み出しシステム（NECTARおよびDRAGON）との互換性を確保し、望遠鏡カメラ電子回路へのシームレスな統合を可能にすること。
• アナログ信号処理と最適化されたハードウェア設計により、消費電力、重量、システム複雑性を低減すること。

提案手法

• 本システムは3段階のアーキテクチャを採用：L0段階は7ピクセルヘキサゴナルクラスタ内の個々のピクセル信号を処理し、しきい値超過に応じてアナログ和または多数決論理を適用する。
• L1段階は、クラスタとその周囲の隣接領域からなるコンパクトな領域を評価し、L0出力を統合して時間的・空間的信号過剰をしきい値以上に検出する。
• L1の配布システムにより、全クラスタに同期されたトリガーシグナルを40 nsのデッドタイムで供給し、高速読み出しと低遅延を実現する。
• L0およびL1の機能は、テスト用のミッドベイボードに実装され、最終的には望遠鏡カメラのフロントエンドおよびバックプレーンボードに統合される。
• アナログ加算器、高速コンパレータ、LVDS信号伝送、可変減衰器およびクリッパーを用いてゲインを等化し、アフターパルスを抑制する。
• アナログトリガーシグナルは専用のファンアウト回路を介して分配され、ATB（アナログトリガーボード）を経由して配布される。ATBは電源供給、イーサネット、クロック信号の供給も行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CTA望遠鏡における大気チェレンコフシャワーの検出において、低遅延かつ高効率を達成するアナログトリガーシステムは、どのように設計可能か？
• RQ2 低エネルギーガンマ線への感度とバックグラウンド抑制の観点から、和トリガーシステムと多数決トリガーシステムの性能的トレードオフは何か？
• RQ3 NECTARおよびDRAGONのような既存の読み出しシステムとシームレスに統合可能なモジュラーなアナログトリガーアーキテクチャは開発可能か？
• RQ4 夜間の空背景を上回る信号検出を確実に実現するため、アナログトリガーシステムで達成可能な電子的ノイズとダイナミックレンジの水準はどの程度か？
• RQ5 将来のASIC統合を踏まえたアナログ処理により、消費電力、重量、システム複雑性はどの程度低減可能か？

主な発見

• アナログトリガーシステムは全遅延190 nsを達成し、L0段階で20 ns、L1配布段階で170 ns、トリガーリカバリーウィンドウ40 nsにより、無視できるほどのデッドタイム（<1%）を実現した。
• 電子的ノイズは1クラスタあたり2 mV未満（0.2 pheに相当）で測定され、典型的な夜間の空背景（1クラスタあたり2 phe以上）をはるかに下回る。
• 最大100 MHzのトリガーレートをサポートし、200 phe入力時における最大差動出力電圧が2 Vに達するため、高いダイナミックレンジとキャリブレーション適合性を確保した。
• 1チャンネルあたり消費電力は590 mW未満（クリッピング回路が約1/3を占める）であり、PMT選択によりクリッピングを排除すれば400 mWまで低減可能である。
• 1チャンネルあたりの重量は約25 g（L0/L1で4 g、ATBで21 g）であり、大規模な展開に適したコンactな設計であることが示された。
• NECTARおよびDRAGON読み出しボードとの統合テストにより、機械的・電気的・論理的互換性が確認され、量産に向けたシステムの準備が整った。