[論文レビュー] Development of an ASIC for Dual Mirror Telescopes of the Cherenkov Telescope Array

J. Vandenbroucke, K. Bechtol+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2011

Particle Detector Development and Performance被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、シュバルツシルト＝カウダー望遠鏡を搭載するチェレンコフ望遠鏡アレイのフォトマルチプライヤー管信号の高速デジタル化を目的として開発された16チャンネル、1 GSa/sのアプリケーションスペシフィック集積回路（ASIC）であるTARGET 1を提示する。4つのTARGET ASICと64チャンネルのMAPMTを組み合わせたプロトタイプカメラモジュールは、3.3 kHzの並列波形取得を成功裏に実証し、1チャンネルあたりのコストを低減することで、広視野、高感度のガンマ線検出に適したシステムであることを検証した。

ABSTRACT

We have developed an application-specific integrated circui (ASIC) for photomultipler tube (PMT) waveform digitization which is well-suited for the Schwarzschild-Couder optical system under development for the Cherenkov Telescope Array (CTA) project. The key feature of the "TARGET" ASIC is the ability to read 16 channels in parallel at a sampling speed of 1 GSa/s or faster. In combination with a focal plane instrumented with 64-channel multi-anode PMTs (MAPMTs), TARGET digitizers will enable CTA to achieve a wider field of view than the current Cherenkov telescopes and significantly reduce the cost per channel of the camera and readout electronics. We have also developed a prototype camera module, consisting of 4 TARGET ASICs and a 64-channel MAPMT. We report results from performance testing of the camera module and of the TARGET ASIC itself.

研究の動機と目的

• チェレンコフ望遠鏡アレイのシュバルツシルト＝カウダー望遠鏡向けに、低コストで高帯域幅の読み出しシステムを設計すること。
• 広視野角撮影に適した大気チェレンコフ望遠鏡の実現を支援するため、16チャンネルのPMトチャネルを1 GSa/sで並列デジタル化すること。
• ASIC上に高速デジタル化を統合することで、カメラシステムの1チャンネルあたりのコストを低減すること。
• 実際のMAPMT波形を用いて、TARGET 1 ASICおよびプロトタイプカメラモジュールの性能を検証すること。
• 次世代のTARGET 2 ASICの基盤を築くこと。
• TARGET 2 ASICでは帯域幅、ダイナミックレンジ、クロストークの改善を図る。

提案手法

• TARGET 1 ASICは、1 GSa/sでの波形サンプリングを実現するため、4096セルのコンデンサアレイを256ブロック（32列×8行）に分割して構成する。各セルは1 nsを表す。
• 波形は、グレイコードカウンタが各記憶コンデンサの電圧を測定するウィルキンソン型アナログ・デジタルコンバータ（ADC）を用いてデジタル化される。
• システムは16チャンネルの並列入力をサポートし、2チャンネルずつデジタル化が行われる。1トリガあたり3ブロックで、波形長は48〜64 nsが得られる。
• フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（FPGA）が、トリガロジック、信号インピーダンス、ピエドレベルを外部電圧$V_{\mathrm{ped}}$により制御する。
• カメラモジュールのプロトタイプは、4つのTARGET 1 ASIC、64チャンネルのMAPMT、高電圧電源ユニット、USBおよびファイバーオプティカルインターフェース、データ取得用のFPGAを統合している。
• データ転送は、ファイバーオプティカルインターフェースを介し、128波形（64チャンネル×2モジュール）で3.3 kHzを超えるレートで実現される。USBは低レートの初期テストに使用される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 16チャンネル、1 GSa/sのASICは、チェレンコフ望遠鏡用途に十分な帯域幅と低クロストークを達成できるか？
• RQ2 TARGET 1 ASICおよびカメラモジュールプロトタイプは、MAPMTの64チャンネル波形を高イベントレートで正しくデジタル化・送信できるか？
• RQ3 実環境下でのASICの実現可能なアナログ帯域幅と信号線形性はどの程度か？
• RQ4 ピエドレベル分解能および1光電子応答において、システムはどの程度の性能を示すか？
• RQ5 TARGET 1システムは、チェレンコフ望遠鏡アレイの次世代望遠鏡に求められるコストと性能目標をどの程度満たすか？

主な発見

• TARGET 1 ASICは、測定されたアナログ帯域幅が-3 dBで150 MHzに達し、TARGET 2バージョンではシミュレーションで380 MHz以上に向上すると予想される。
• クロストークは3 dB帯域幅で4%未満で測定され、TARGET 2では1%まで低減される見込みである。
• カメラモジュールプロトタイプは、ファイバーオプティカルインターフェースを用いて、64チャンネルの波形を3.3 kHzを超えるレートで正常に取得・送信した。
• システムは安定したセルフトリガ機能を示し、1光電子ピークの正確なデジタル化が可能であり、ピエドノイズから明確に分離された。
• デジタル化ノイズが観測されたが、これはASIC自体の内部的制限ではなく、外部部品に起因するとされたため、TARGET 1の本質的制限ではないと判明した。
• プロトタイプは、4つのTARGET ASICと64チャンネルのMAPMTの組み合わせが、CTAの広視野望遠鏡向けにスケーラブルでモジュラーかつコスト効率の良い読み出しを可能にすることを確認した。