[論文レビュー] The readout system of the MAGIC-II Cherenkov Telescope

D. Tescaro, Jelena Aleksić+10 more|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用数 16

ひとこと要約

本論文は、光信号伝送、高帯域幅のMONSTER受信ボード、2 GSa/sでの超高速DRS2サンプリング（12ビット分解能）を特徴とするMAGIC-IIチェレンコフ望遠鏡の読み出しシステムを提示する。このシステムにより、正確なタイミング測定と高いデータスルーレート（最大200 MB/s）が可能となり、オンライン補正とマルチスレッドC++ DAQプログラムによる耐障害性の高いデータ取得を実現し、1 kHzの持続的トリガー率をサポートする。

ABSTRACT

In this contribution we describe the hardware, firmware and software components of the readout system of the MAGIC-II Cherenkov telescope on the Canary island La Palma. The PMT analog signals are transmitted by means of optical fibers from the MAGIC-II camera to the 80 m away counting house where they are routed to the new high bandwidth and fully programmable receiver boards (MONSTER), which convert back the signals from optical to electrical ones. Then the signals are split, one half provide the input signals for the level ONE trigger system while the other half is sent to the digitizing units. The fast Cherenkov pulses are sampled by low-power Domino Ring Sampler chips (DRS2) and temporarily stored in an array of 1024 capacitors. Signals are sampled at the ultra-fast speed of 2 GSample/s, which allows a very precise measurement of the signal arrival times in all pixels. They are then digitized with 12-bit resolution by an external ADC readout at 40 MHz speed. The Domino samplers are integrated in the newly designed mezzanines which equip a set of fourteen multi-purpose PULSAR boards. Finally, the data are sent through an S-LINK optical interface to a single computer. The entire DAQ hardware is controlled through a VME interface and steered by the slow control software program (MIR). The Data AcQuisition software program (DAQ) proceeds finally to the event building and data storage.

研究の動機と目的

• 2 GSa/sでの超高速サンプリング（12ビット分解能）を用いて、1ナノ秒未塔のタイミング分解能を達成し、大口径望遠鏡のフォトンメータ（PMT）からの超高速チェレンコフパルスを処理できる、高帯域幅・低ジッタの読み出しシステムを開発すること。
• ドミノリングサンプラー（DRS2）チップを用いた2 GSa/sでの超高速サンプリングにより、正確な信号到着時刻測定とバックグラウンドの分離を実現すること。
• 最大200 MB/sの高いデータスルーレートを達成し、VHEガンマ線観測に適した持続的1 kHzトリガー率をサポートすること。
• VMEおよびS-LINKインターフェースを介して、統合された補正とモニタリングを備えた完全プログラマブルで安定的かつリモート制御可能な読み出しチェーンを実装すること。
• マルチスレッドDAQソフトウェアアーキテクチャにより、オンライン補正とイベント構築を伴うリアルタイム処理とデータ整合性を確保すること。

提案手法

• 80 m離れたカメラから発生するアナログPMT信号が、光ファイバーを介してカウンティングハウスに伝送され、そこでのMONSTER受信ボードで再び電気信号に変換される。
• MONSTERボードは信号を2系統に分岐：1系統はレベル1トリガーシステムに供給され、もう1系統はDRS2チップに送られ、1ピクセルあたり1024個のコンデンサに信号を一時記憶する2 GSa/sでの超高速サンプリング（12ビット分解能）が行われる。
• DRS2チップは、バックグラウンド抑制に不可欠な正確な時間飛行測定を可能にする1ピクセルあたり1024個のコンデンサに信号を一時記憶する。
• データは40 MHzで外部ADCによりデジタル化され、S-LINK光インターフェースを介して、FILAR PCIカードおよびHOLAボードを介して中央コンピュータに転送される。
• DAQソフトウェア「DominoReadout」は、マルチスレッドC++プログラムであり、イベント構築、DRS2応答のオンライン補正、16 TBのRAIDディスクシステムへのデータ保存を実行する。
• スローコントロールはMIRソフトウェアが管理し、VMEインターフェースを介してトリガーシステム、補正ユニット、グローバルトリガーロジックの設定と監視が行われる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大口径望遠鏡のフォトンメータ（PMT）からの1ナノ秒未塔のチェレンコフパルスを正確に捉えるために、高帯域幅・低ジッタの読み出しシステムをどのように設計できるか？
• RQ2 VHEガンマ線チェレンコフ望遠鏡において、正確なタイミング測定と効果的なバックグラウンド分離を実現するためのサンプリングアーキテクチャは何か？
• RQ3 1ピクセルあたり1024個のコンデンサを有するDRS2チップの非線形応答をリアルタイムでオンライン補正するには、どのような手法が有効か？
• RQ4 データ整合性と低遅延を確保しながら、200 MB/sのデータスルーレートと1 kHzのトリガー率を実現するためのシステムアーキテクチャは何か？
• RQ5 VMEおよびS-LINKインターフェースを用いて、モジュラーでリモート制御可能かつ安定した制御システムを、読み出しチェーン全体にどのように実装できるか？

主な発見

• 読み出しシステムは2 GSa/s、12ビット分解能を達成し、バックグラウンド抑制に不可欠な正確な信号到着時刻測定が可能である。
• システムは持続的な1 kHzトリガーレートをサポートし、データ保存レートは200 MB/sに相当する。ピークスルーレートは1日あたり1 TBを超える。
• MONSTER受信ボードは、<100 psのジッタ、<1 nsのチャネル間遅延、<30%のゲイン分散を実現し、高い信号整合性とタイミング安定性を確保する。
• DRS2チップ応答のオンライン補正は、専用の補正曲線を用いて、1ピクセルあたり1024個のコンデンサアレイにおける非線形性を補正する。
• マルチスレッドDAQソフトウェア（DominoReadout）は、読み取り・分析・書き込みのスレッドを並列処理することで効率的なデータ処理を実現し、4000イベント分のリングバッファ構造を採用する。
• システムはリアルタイムでのオンライン解析を可能とし、信号強度および到着時刻の再構築が可能となり、中央制御モニタに即座にシャワー像を表示できる。