[論文レビュー] TARGET: toward a solution for the readout electronics of the Cherenkov Telescope Array

L. Tibaldo, J. Vandenbroucke+10 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 3被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、チェレンコフ望遠鏡アレイ（CTA）のチェレンコフ望遠鏡カメラにおける高レート・低ノイズ読み出しを目的としたアプリケーション固有集積回路（ASIC）TARGETを提案する。16チャンネルの並列サンプリングを最大1 GSa/sで実現し、深さのあるオンチップバッファリングと4つの隣接ピクセルの統合トリガーロジックを内蔵し、高い感度と低コストを実現する。最新世代のTARGET Cとその補助ASICであるCCTVを用いることで、サンプリングとトリガーの分離を実現し、信号カップリング問題を克服。トリガーレゾリューションを4.5 mV、ノイズを0.5 mVまで向上させた。

ABSTRACT

TARGET is an application specific integrated circuit (ASIC) designed to read out signals recorded by the photosensors in cameras of very-high-energy gamma-ray telescopes exploiting the imaging of Cherenkov radiation from atmospheric showers. TARGET capabilities include sampling at a high rate (typically 1 GSample/s), digitization, and triggering on the sum of four adjacent pixels. The small size, large number of channels read out per ASIC (16), low cost per channel, and deep buffer for trigger latency (~16 $μ$s at 1 GSample/s) make TARGET ideally suited for the readout in systems with a large number of telescopes instrumented with compact photosensors like multi-anode or silicon photomultipliers combined with dual-mirror optics. The possible advantages of such systems are better sensitivity, a larger field of view, and improved angular resolution. The two latest generations of TARGET ASICs, TARGET 5 and TARGET 7, are soon to be used for the first time in two prototypes of small-sized and medium-sized dual-mirror telescopes proposed in the framework of the Cherenkov Telescope Array (CTA) project. In this contribution we report on the performance of the TARGET ASICs and discuss future developments.

研究の動機と目的

• チェレンコフ望遠鏡アレイ（CTA）におけるイメージング大気チェレンコフ望遠鏡の低コスト・高密度・信頼性の高い読み出しソリューションの開発。
• 基板カップリングによる性能劣化を回避するため、1つのASICに高帯域幅の信号サンプリングとトリガ生成を統合する課題への対処。
• 次世代ASICにおいてサンプリングとトリガリングの機能を分離することで、感度とダイナミックレンジの向上を図る。
• より高い角分解能と視野を実現する、コンactなマルチアンディンまたはシリコンフォトマルチプライヤーベースのカメラシステムの実現。

提案手法

• TARGET ASICは、1チャンネルあたり32セルの2グループを備えたピングポーンサンプリングアーキテクチャを採用し、最大1 GSa/sの継続的高速サンプリングを実現する。
• 各ASICは16のフォトデテクターチャンネルを並列処理し、1チャンネルあたり16,384サンプルのオンチップアナログバッファリングを実施し、後続のデジタル変換を可能にする。
• ウィリアムソンADCが全16チャンネルにわたって32サンプルを同時にデジタル化し、0.4〜1 GSa/sの設定可能なサンプリングレートで高速かつ並列読み出しを実現する。
• トリガロジックは4つの隣接ピクセルの信号をリアルタイムで合算し、上位制御論理へLVDS信号を出力することで、効率的なイベント選別を可能にする。
• 新規のTARGET CとCCTV ASICは、サンプリング／デジタイゼーション（TARGET C）とトリガリング（CCTV）を分離することで、基板カップリングを低減し、トリガーパフォーマンスを向上させる。
• シリアル・パラレルインターフェースを介した設定管理が可能で、FPGAを用いた制御およびデータ取得との統合もサポートする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 次世代チェレンコフ望遠鏡の要求を満たす高チャンネル密度・低コストASICを設計するには、どのようなアプローチが有効か？
• RQ2 特に基板カップリングに起因する性能制限を受ける中で、サンプリングとトリガリングを1つのASICに統合する際の課題は何か？
• RQ3 サンプリングとトリガリングの機能を別々のASICに分離することで、トリガーレゾリューションとノイズ性能を著しく向上させられるか？
• RQ4 新規のTARGET CとCCTV ASICは、TARGET 5およびTARGET 7で観察された信号カップリング問題をどの程度克服しているか？
• RQ5 最新のASIC世代では、1光子電子検出に向け、ダイナミックレンジ、線形性、電荷分解能にどの程度の向上が見られるか？

主な発見

• TARGET 5およびTARGET 7は、10 p.e.で4%の電荷分解能を達成し、高信号レベル（>100 p.e.）では0.8%未満を記録し、優れた線形性と精度を示した。
• TARGET 7のトリガーサンプリングクロックとトリガ回路間の基板カップリングの影響により、トリガ閾値が50 mVに制限されているが、信号整合性の向上は見られた。
• 新規のTARGET C ASICは同期カウンタを採用しデジタイゼーション速度を向上させるとともに、デジタイザーレファレンスをグラウンド化することでノイズを低減し、少なくとも1.9 Vのダイナミックレンジを達成した。
• 補助トリガASICであるCCTVは、最小トリガ閾値4.5 mV、トリガーノイズ0.5 mVを達成し、サンプリングを無効にしたTARGET 5と同等の性能を示した。
• TARGET CとCCTVによるサンプリングとトリガリングの分離により、基板カップリングが完全に排除され、TARGET 7と比較してトリガーノイズが10倍低減した。
• 16チャンネルの並列処理を1 GSa/sで実行可能で、16,384サンプルのバッファ深度を備え、16 µsのトリガーレイテンシを実現し、高スループットなイベント選別に適した。