[論文レビュー] FlashCam: a fully-digital camera for the medium-sized telescopes of the Cherenkov Telescope Array

G. Pühlhofer, C. Bauer+32 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2015

Particle Detector Development and Performance参考文献 2被引用数 13

ひとこと要約

本論文では、Cherenkov Telescope Array (CTA) の中型望遠鏡 (MSTs) を対象とした完全デジタルカメラシステムであるFlashCamを提案する。本システムは、連続的で高帯域幅な信号デジタル化とイーサネットを用いたデータ転送を実現するため、商業用FADCおよびFPGAを活用している。プロトタイプは、50 kHzまでのバーストレートでデッドタイムなしの動作を実現し、2 GByte/sを超える持続的データレートを達成するとともに、環境ストレス試験において高い信頼性を示した。これにより、次世代Cherenkov望遠鏡に向けた完全デジタルでモジュラーかつ保守可能な設計の実現可能性が裏付けられた。

ABSTRACT

The FlashCam group is currently preparing photomultiplier-tube based cameras proposed for the medium-sized telescopes (MST) of the Cherenkov Telescope Array (CTA). The cameras are designed around the FlashCam readout concept which is the first fully-digital readout system for Cherenkov cameras, based on commercial FADCs and FPGAs as key components for the front-end electronics modules and a high performance camera server as back-end. This contribution describes the progress of the full-scale FlashCam camera prototype currently under construction, as well as performance results also obtained with earlier demonstrator setups. Plans towards the production and implementation of FlashCams on site are also briefly presented.

研究の動機と目的

• Cherenkov Telescope ArrayのMSTs向けに、完全デジタルでスケーラブルかつ信頼性の高いカメラシステムを開発すること。
• 商業用オフザシェルフ部品（FADC、FPGA、イーサネット）に基づく完全デジタル読み出しアーキテクチャが、高エネルギーガンマ線天文に求められる厳しい性能および信頼性要件を満たすかを検証すること。
• 現場での修理を容易にする設計を実現し、1時間以内にモジュール交換が可能なメンテナンスフレンドリーなシステムを設計すること。
• プロトタイプの試験およびストレスサイクルを用いて、極端な環境条件下での性能を検証すること。
• FlashCamカメラの大量生産およびCTAアレイへの導入に向けた準備をすること。

提案手法

• FlashCamシステムは、50 mmピッチの六角形配置で配置された高量子効率PMTsを用いた光子検出平面（PDP）を備えた水平アーキテクチャを採用している。
• 信号は250 MS/sで12ビットFADCを用いて連続的にデジタル化され、FPGAがリアルタイムで処理を行い、トリガー信号も生成する。
• すべてのフロントエンド電子回路は、イベント構築、データフォーマット、および送信を担当するカメラサーバーと、高性能な内部イーサネットネットワークで接続されている。
• カメラサーバーは、2 GByte/sを超える高帯域幅データ転送、ゼロサプレッション、CTAアレイのトリガーシステムとの統合を実現するカスタムソフトウェアを実行している。
• ファームウェア制御が可能なマルチブート対応FPGAを採用しており、イーサネット経由での外部ファームウェア更新も可能である。
• カメラ本体は「ウォークイン」構造として設計されており、PDPモジュールが容易にアクセス可能で、読み出しボードは背面に設置されている。これにより、光学系を分解せず、1時間以内に現場でのメンテナンスが可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 商業用部品（FADC、FPGA、イーサネット）に基づく完全デジタルで、すべての読み出しをデジタル化するアーキテクチャが、CTA MSTの厳しい性能および信頼性要件を満たすことができるか？
• RQ2 Cherenkov望遠鏡用の完全デジタルでイーサネットベースのカメラシステムが、どの程度の持続的データレートとバーストイベントレートを達成できるか？
• RQ3 システムは熱的および環境的ストレス条件下でどの程度の性能を示し、予想される信頼性と寿命はどの程度か？
• RQ4 カメラ設計により、望遠鏡からカメラを外さずに、1時間以内にモジュール交換が可能か？
• RQ5 長時間稼働およびサイクル試験において、FADCボードやPMTモジュールなどの主要部品の故障モードと故障率はどのようになるか？

主な発見

• FlashCamプロトタイプは、カメラサーバーで2 GByte/sを超える持続的データレートを達成し、50 kHzまでのバーストレートでデッドタイムなしの動作を実現した。
• 250本以上のFADCチャネルと144ピクセルを含む環境下で、1,000時間以上の累積稼働時間にわたり、多数の電源サイクルを経ても信頼性の高い動作を示した。
• 気候チャンバーサイクル試験（196チャンネルクレート）では、10°C〜40°C間の30回以上のサイクルおよび70°C以上の数時間の高温環境下でも、性能劣化やハードウェア損傷が認められなかった。
• カメラ設計により、PDPモジュールや読み出しボードなどのアクティブ部品の交換が1時間以内に可能であり、望遠鏡からカメラを外す必要もなく、光学系を損なわずに行える。
• ファームウェア制御による商業用FADCおよびFPGAの使用により、柔軟で再構成可能なトリガー方式と、リモートでのファームウェア更新が可能となった。
• 本格的なFlashCamプロトタイプは現在建設中であり、2016年に2台のプロトタイプを前段階生産して製造最適化と大量生産準備を進める計画である。