[論文レビュー] The NectarCAM camera project

J-F. Glicenstein, M. Barceló+58 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2013

Particle Detector Development and Performance被引用数 4

ひとこと要約

NectarCAMは、100 GeVから30 TeVのエネルギー範囲でガンマ線を高時間分解能および高電荷分解能で検出することを目的とした、チェレンコフ望遠鏡アレイ（CTA）の中型望遠鏡用の次世代カメラである。250個のNECTArベースの読み出しモジュールを用い、各モジュールに7本のフォトマルチプライヤー管（PMT）を内蔵することで、ナノ秒レベルの時間分解能、1 GHzでのフル波形サンプリング、および柔軟なトリガリングを実現し、死時間を低減するとともに陽子対消滅の抑制を向上させ、従来の機器に比べ最大10倍の感度向上を達成した。

ABSTRACT

In the framework of the next generation of Cherenkov telescopes, the Cherenkov Telescope Array (CTA), NectarCAM is a camera designed for the medium size telescopes covering the central energy range of 100 GeV to 30 TeV. NectarCAM will be finely pixelated (~ 1800 pixels for a 8 degree field of view, FoV) in order to image atmospheric Cherenkov showers by measuring the charge deposited within a few nanoseconds time-window. It will have additional features like the capacity to record the full waveform with GHz sampling for every pixel and to measure event times with nanosecond accuracy. An array of a few tens of medium size telescopes, equipped with NectarCAMs, will achieve up to a factor of ten improvement in sensitivity over existing instruments in the energy range of 100 GeV to 10 TeV. The camera is made of roughly 250 independent read-out modules, each composed of seven photo-multipliers, with their associated high voltage base and control, a read-out board and a multi-service backplane board. The read-out boards use NECTAr (New Electronics for the Cherenkov Telescope Array) ASICs which have the dual functionality of analogue memories and Analogue to Digital Converter (ADC). The camera trigger to be used will be flexible so as to minimize the read-out dead-time of the NECTAr chips. We present the camera concept and the design and tests of the various subcomponents. The design includes the mechanical parts, the cooling of the electronics, the readout, the data acquisition, the trigger, the monitoring and services.

研究の動機と目的

• 100 GeVから30 TeVのエネルギー範囲で感度を向上させるため、チェレンコフ望遠鏡アレイ（CTA）のための高性能カメラを開発すること。
• 8°以上の大画角と増加するトリガーレートに対応するため、柔軟で低死時間のトリガリングを可能にする。
• 1ピクセルあたりナノ秒レベルの時間分解能を達成し、イベント再構築と陽子背景の抑制を向上させること。
• 自己完結型の読み出しモジュールを備えたモジュラーで密封されたカメラ設計を実装し、信頼性と保守性を確保すること。
• 1ピクセルあたり1 GHzでのフル波形サンプリングを実現し、高度な再構築と時間解析を可能にする。

提案手法

• カメラは約250個の独立した読み出しモジュールを用い、各モジュールには7本のフォトマルチプライヤー管（PMT）と、アナログメモリおよびA/D変換を担うNECTAr ASICが搭載されている。
• NECTAr ASICは1–3.2 GHzで信号をサンプリングし、11.3ビットのダイナミックレンジと210 mWの消費電力を有し、1024サンプルの深さを持つフル波形記録を可能にする。
• 2段階のトリガーシステム（L0/L1）により、400 ns未満の遅延を確保し、トリガイベントの20 ns前までの信号読み出しを可能にする。
• 読み出しボードに搭載されたFPGAがリアルタイムでデータ処理を行い、統合電荷と信号到着時刻を計算した後、10 Gbit/sのイーサネット接続経由でデータを送信する。
• バックプレーン基板はクロック、電源（24 V）、トリガ信号を分配するとともに、カメラ内でのL1トリガ判断を可能にする。
• 密封されたカメラ設計は、ハニカムアルミサンドイッチ構造を採用し、アクティブ冷却、ラベルベースのキャリブレーションシステム、環境および安全パrameterのリモート監視を備えている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにすれば、大気チェレンコフ望遠鏡のイベント再構築を向上させるために、1ピクセルあたり1ナノ秒未塔の時間分解能を実現できるか？
• RQ2 大画角（≥8°）に起因するトリガーレートが2倍に増加する状況において、死時間を最小限に抑えるために必要なトリガアーキテクチャは何か？
• RQ3 1ピクセルあたり1 GHzでのフル波形サンプリングは、陽子背景の抑制とエネルギー分解能をどのように向上させられるか？
• RQ4 密封された高振動環境の望遠鏡で高信頼性を維持できる、モジュラーで低消費電力かつスケーラブルな電子回路アーキテクチャは何か？
• RQ5 伝送時間スプレッドやアナログ帯域幅といった時間系のずれをどのようにキャリブレーション・補正し、2 nsの時間分解能を達成できるか？

主な発見

• NectarCAMカメラは1ピクセルあたり約2 nsの時間分解能を達成し、チェレンコフシャワーの時間勾配を正確に測定することで、イベント再構築の向上を可能にした。
• 1ピクセルあたり1 GHzでのフル波形サンプリングにより、信号波形の詳細な解析が可能になり、陽子背景の抑制とエネルギー分解能の向上が図られた。
• 2段階のトリガシステムにより、400 ns未満の遅延が確保され、トリガの20 ns前までの信号読み出しが可能になり、死時間の低減が達成された。
• 250個のNECTArベースの読み出しモジュールを備えたモジュラー設計により、高い信頼性、保守性、スケーラビリティが実現された。
• 7モジュールのデモンストレータは、電荷の線形性と1光子ピーク応答の妥当性を正当化し、キャリブレーション能力の確認に成功した。
• データ取得システムは、フル波形を送信する際、1モジュールあたり最大40 Mbit/sのデータレートをサポートし、高レートイベント処理の効率化を可能にした。