[論文レビュー] The VERITAS Upgraded Telescope-Level Trigger Systems: Technical Details and Performance Characterization

B. Zitzer|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2013

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

ひとこと要約

本論文では、0.2ナノ秒の時間同期と5ナノ秒のピクセル一致窓を達成するために400 MHz Xilinx Virtex-5 FPGAを用いた、VERITAS望遠鏡レベルのトリガーシステムのアップグレードを提示している。これにより、夜空背景放射の抑制が著しく向上し、エネルギー閾値が低下する。本システムは、ビット単位の画像モーメント解析を用いた将来のトポロジカルトリガーの実装を可能にする。

ABSTRACT

VERITAS is an array of imaging atmospheric Cherenkov telescopes sensitive to gamma rays in the energy range between 100 GeV and 50 TeV. The instrument underwent an upgrade of the camera triggers in November 2011. The new systems use 400 MHz Xilinix Virtex-5 FPGAs for the pixel neighbor coincidence logic necessary to produce a camera-level trigger. The upgraded systems are capable of time-aligning individual triggering pixels to within 0.2 nanoseconds, allowing for an operational pixel-to-pixel coincidence window of 5 nanoseconds. This reduced coincidence window provides improved rejection of night-sky background (NSB) which permits a reduction of the energy threshold at the trigger level. The use of FPGAs allows for the future implementation of a topological trigger capable of discriminating events based on an image moment analysis of a bit-wise hit pattern. As part of the commissioning phase for the trigger upgrade, the hardware was initially installed in a single telescope in parallel to the (then) current system. This allowed for the detailed performance characterization of the new system relative to the pre-existing trigger. Here we present technical details of the upgraded VERITAS camera trigger system and outline the details of these performance studies.

研究の動機と目的

• VERITASチェレンコフ望遠鏡アレイにおけるガンマ線検出のエネルギー閾値を低下させるために、背景放射の抑制を向上させること。
• 従来のカメラトリガーシステムを、サブナノ秒の時間同期が可能な、より高速で高精度なシステムに置き換えること。
• FPGAを用いたビット単位のヒットパターン解析に基づく、将来のトポロジカルトリガーの実装を可能にすること。
• 並行して実施された試験段階において、旧システムと比較して新しいトリガーシステムの性能を評価すること。

提案手法

• カメラレベルのトリガリングのため、ピクセル隣接一致論理を実装するために400 MHz Xilinx Virtex-5 FPGAを導入した。
• 個々のトリガリングピクセル間の時間同期を0.2ナノ秒以内に達成し、5ナノ秒の一致窓を実現した。
• 短縮された一致窓を用いることで、夜空背景（NSB）光子の抑制を向上させた。
• 旧システムと並行して新システムを一台の望遠鏡に設置し、直接的な性能比較が可能な並行試験段階を実施した。
• ビット単位のヒットパターンの画像モーメント解析に基づく、将来のトポロジカルトリガー開発を可能にするスケーラブルなアーキテクチャを実装した。
• 実データを用いた詳細な性能評価と、アップグレード前のシステムとの比較分析を通じて、新システムの性能を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 新しいFPGAベースのトリガーシステムは、従来のシステムと比較して、時間分解能と一致窓の精度をどのように向上させたか？
• RQ2 5ナノ秒に短縮された一致窓は、カメラトリガーにおける夜空背景放射の抑制にどの程度寄与したか？
• RQ3 0.2ナノ秒の改善された時間同期は、VERITASアレイの有効エネルギー閾値にどのような影響を与えたか？
• RQ4 新しいシステムは、リアルタイムでのヒットパターンのビット単位の解析を通じて、将来のトポロジカルトリガーをサポートできるか？
• RQ5 試験段階において、アップグレード済みトリガーシステムの性能は、旧システムと比較してどのように定量的に評価されたか？

主な発見

• アップグレード済みのトリガーシステムは、ピクセル間の時間同期を0.2ナノ秒以内に達成し、安定した5ナノ秒の一致窓を実現した。
• 5ナノ秒の一致窓は、夜空背景放射の抑制を顕著に向上させ、ランダムな光子一致による誤トリガーを低減した。
• 改善された背景放射抑制により、トリガー段階での運用エネルギー閾値が顕著に低下した。
• FPGAベースのアーキテクチャは、将来のトポロジカルトリガー実装をサポートする十分な処理余裕と柔軟性を備えている。
• 並行試験段階における性能評価により、新システムの優れた時間分解能と背景抑制能力が確認された。
• 本システムの設計は、全VERITASアレイへのスケーラブルな統合を可能にし、望遠鏡間で一貫した性能を発揮する。