[論文レビュー] NectarCAM : a camera for the medium size telescopes of the Cherenkov Telescope Array

J-F. Glicenstein, Ó. Abril+64 more|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 5被引用数 5

ひとこと要約

NectarCAMは、チェレンコフ光を介して非常に高エネルギーのガンマ線を検出することを目的とした、中型望遠鏡（MST）向けの高性能でモジュラーなカメラである。Cherenkov Telescope Array（CTA）のMST用に開発されたもので、GHzスレーピングアナログメモリと12ビットADCを備えたNECTAr ASICを採用しており、4 kHzを超えるデータレートで<5%のデッドタイムを実現し、全波形デジタイゼーションを可能にしている。100 GeV〜30 TeVのエネルギー範囲において、最適化されたイベント再構築を実現するため、アナログおよびデジタルの両方のトリガーシステムをサポートしている。

ABSTRACT

NectarCAM is a camera proposed for the medium-sized telescopes of the Cherenkov Telescope Array (CTA) covering the central energy range of ~100 GeV to ~30 TeV. It has a modular design and is based on the NECTAr chip, at the heart of which is a GHz sampling Switched Capacitor Array and a 12-bit Analog to Digital converter. The camera will be equipped with 265 7-photomultiplier modules, covering a field of view of 8 degrees. Each module includes the photomultiplier bases, high voltage supply, pre-amplifier, trigger, readout and Ethernet transceiver. The recorded events last between a few nanoseconds and tens of nanoseconds. The camera trigger will be flexible so as to minimize the read-out dead-time of the NECTAr chips. NectarCAM is designed to sustain a data rate of more than 4 kHz with less than 5\% dead time. The camera concept, the design and tests of the various subcomponents and results of thermal and electrical prototypes are presented. The design includes the mechanical structure, cooling of the electronics, read-out, clock distribution, slow control, data-acquisition, triggering, monitoring and services.

研究の動機と目的

• チェレンコフ望遠鏡アレイ（CTA）の中型望遠鏡向けに、非常に高エネルギーのガンマ線を検出可能な耐障害性がありモジュラーなカメラの設計。
• 100 GeV〜30 TeVのエネルギー範囲において、最小限のデッドタイム（<5%）で高いデータスループットを実現し、効率的なイベント記録を可能にすること。
• 単一モジュール、5モジュールクラスタ、熱的プロトタイプ、19モジュールミニカメラを含むプロトタイプを用いた性能検証。
• 柔軟で低遅延のイベントトリガリングとシステム統合を可能にする、アナログおよびデジタル両方のトリガーアーキテクチャをサポートすること。
• 環境保護、熱制御、密封された電子筐体を用いて、長期的な信頼性を確保すること。

提案手法

• カメラは、265個の7フォトマルチプライヤー・モジュールを採用しており、各モジュールには統合型プリアンプ、高電圧供給、トリガーロジック、イーサネット変換器が内蔵されている。
• 各モジュールは、NECTAr ASICを採用しており、1024セルのアナログメモリを0.5〜2 GHzの周波数でスレーピングする12ビットADCを備え、チェレンコフ光パルスの全波形記録を可能にしている。
• カメラは2種類のトリガーモードをサポートしている：H.E.S.S.およびMAGIC-IIに基づく改良型アナログトリガー、および多数決および合計トリガーロジックを備えたL0 ASICを用いた新規デジタルトリガー。
• トリガーシグナルはホワイトラビットベースのクロックシステムを介して配布され、トリガーフェンダーボードがアレイレベルのシステムと同期し、ステレオトリガリングを可能にしている。
• データ取得にはイーサネットベースのシステムを採用し、カメラサーバーと市販のネットワーキング機器を用いることで、相互運用性とスケーラビリティを確保している。
• スローコントロールは、リモート監視、安全制御、システム診断を可能にするOPC-UAインターフェースを備えたcompactRIOコントローラーで管理されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CTAの中型望遠鏡向けカメラは、チェレンコフパルスの全波形デジタイゼーションを維持しつつ、最小限のデッドタイムで高いデータスループットを実現するにはどうすればよいか？
• RQ2 高エネルギーガンマ線検出において、遅延、消費電力、システム複雑性という観点から、アナログとデジタルの両トリガーアーキテクチャの最適なトレードオフは何か？
• RQ3 モジュラー設計は、23台の実装済みカメラにおいて、信頼性、メンテナンスのしやすさ、スケーラビリティをどのように確保できるか？
• RQ4 遠隔地・高高度の観測所環境において、感度の高い電子部品が安定して動作するために必要な熱的および環境的保護戦略は何か？
• RQ5 NECTAr ASICとカスタムバックプレーン基板の統合により、1855個のフォトマルチプライヤーにわたる柔軟で低ジッタの信号処理と同期がどのように実現できるか？

主な発見

• NectarCAMプロトタイプは、4 kHzを超えるデータレートで5%未満のデッドタイムを達成し、高スループットガンマ線観測の性能目標を満たした。
• NECTAr ASICは250 MHzを超えるアナログ帯域幅を示し、0.5〜2 GHzのスレーピング周波数をサポートしており、ナノ秒スケールのチェレンコフパルスの正確な再構築を可能にした。
• 19モジュールのミニカメラプロトタイプは、モジュール、バックプレーン、トリガーシステムの統合を成功裏に検証し、アナログとデジタルトリガーの選択を下す根拠を提供した。
• 熱的および電気的プロトタイプは、極端な条件下でも安定した動作を確認した。効果的な温度制御と電磁シールドにより、信頼性の高い電子部品の動作が実現された。
• 標準化されたフロントエンド基板とバックプレーンインターフェースを備えたモジュラー設計により、23台のCTA向けカメラのスケーラブルな生産と、メンテナンスの簡素化が可能になった。
• イーサネットベースのDAQシステムにより、信頼性の高い高帯域幅のデータ転送とリモート制御が実現され、プロトタイプテストで検証された。