[論文レビュー] Upgrade of the MAGIC Telescope with a Multiplexed Fiber-Optic 2 GSamples/s FADC Data Acquisition system

MAGIC Collaboration, F. Göebel+7 more|ArXiv.org|Sep 14, 2007

Particle Detector Development and Performance参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、MAGIC Cherenkov望遠鏡用に、コスト効率が良く、光ファイバーを用いた多重化方式を採用した2 GSamples/s FADCデータ取得システムを提案している。このシステムにより、1つのFADCを用いて16個のPMトランスデューサー（PMT）チャンネルの高速デジタル化が可能となり、光信号遅延を用いる。システムは持続的な1 kHzトリガーレートを達成し、390 psの時間分解能と800のダイナミックレンジを実現し、ガンマ線の感度を著しく向上させるとともにバックグラウンドを効果的に抑制する。

ABSTRACT

In February 2007 the MAGIC Air Cherenkov Telescope for gamma ray astronomy was fully upgraded with a fast 2 GSamples/s digitization system. The upgraded readout system uses a novel fiber-optic multiplexing technique. It consists of 10-bit 2 GSamples/s FADCs to digitize 16 channels consecutively and optical fibers to delay the analog signals. A distributed data acquisition system using GBit Ethernet and FiberChannel technology allows to read out the 100 kByte events with a continuous rate of up to 1 kHz.

研究の動機と目的

• 高エネルギーガンマ線天文における、より高速かつ低ノイズなデータ取得のニーズに対応し、感度の向上とバックグラウンド抑制を図ること。
• MAGIC望遠鏡の576個のPMトランスデューサー（PMT）チャンネルのデジタイゼーションに、個別のFADCを用いるのではなく多重化システムを導入することで、コストと消費電力を低減すること。
• ガンマ線シャワーのプロファイル再構築を向上させ、バリオン背景を低減するために、サブナノ秒スケールの高時間分解能でのサンプリングを可能にすること。
• イーサネットおよびファイバーチャネルネットワークを用いて、高スループットなデータ転送を実現し、最小限のデッドタイムと高いデータ整合性を確保した、持続可能な1 kHzのデータ取得レートを達成すること。
• リアルタイム解析と長期間のデータ保存を可能にするスケーラブルかつモジュラーなDAQシステムを構築し、最大1 TB/晩の高容量データを処理できること。

提案手法

• 16入力の各チャンネルで40 nsずつアナログPMT信号を遅延させるために、勾配屈折率マルチモードファイバーを用いた光ファイバー多重化技術を実装する。
• 850 nmのVCSELダイオードを用い、2.3 dB/kmの減衰特性を有する光ファイバーを介して信号を送信・遅延させ、正確な信号タイミングを実現する。
• 50/50分割比（±3%）の光スプリッタを用い、光の一部をトリガ生成にルーティングすることで、低ジッタ（1.25 ns）の信号判断を保証する。
• PINダイオードを用いて光信号を電気信号に変換し、800 MHzクロックで動作する高帯域幅MOSFETスイッチを用いて、16チャンネルを順次1つのFADCにルーティングする。
• DC282 10ビット、2 GSamples/sのFADCを用いて信号をデジタル化する（1 V入力範囲、700 MHz帯域）。10ビットデータを非線形補正用に16ビットにマッピングする。
• 各チャンネルにオンボード512 kByteのRAMを搭載し、cPCIバスを介した非同期リードアウトにより、中央のLinuxベースのサーバー（MUXDAQ）にデータを送信する。GBitイーサネットおよびファイバーチャネルを用いて、高スループットのデータ転送を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光ファイバー多重化技術を用いることで、Cherenkov望遠鏡用途において、FADCのコストと消費電力を低減しつつ、高い時間分解能を維持できるか？
• RQ2 多重化されたPMT信号を用いた新しい2 GSamples/s FADCシステムの、全信号チェーンにおける実現可能な時間分解能はどの程度か？
• RQ3 1～800個の光電子を含む信号をデジタイズする際、システムのダイナミックレンジおよび線形性はどの程度の性能を示すか？
• RQ4 最小限のデッドタイムと高いデータ整合性を確保しつつ、システムは持続的な1 kHzトリガーレートを維持できるか？
• RQ5 向上した時間分解能が、ガンマ線天文学におけるバックグラウンド抑制および感度向上にどの程度寄与するか？

主な発見

• GBitイーサネット経由で最大100 MB/sの転送レートを達成し、追加のデッドタイムなしに連続運用が可能であり、持続的な1 kHzのデータ取得レートを実現した。
• 全信号チェーンの時間分解能は390 ps（2ピクセル間の到着時刻差のRMS）であり、均一なキャリブレーションパルスを用いて測定された。
• FADCシステムは800光電子の線形ダイナミックレンジを示し、この値を上回ると飽和効果が顕著に現れるようになった。
• 5光電子程度の信号に対して、FWHMが2.3 nsのサブナノ秒パルスを解像でき、優れた時間的忠実性を示した。
• マルチプレクサはチャンネル切り替え時に約10 nsの持続時間のノイズピークを発生させるが、解析ソフトウェアで除去可能であり、信号の整合性に影響を与えない。
• 観測後24時間以内にMUXANAサーバーからキャリブレーション済みデータが入手可能となり、迅速な天体検出が可能である。一方、生データ（最大1 TB/晩）はLTO3テープにアーカイブされ、後続処理のために保存されている。