[논문 리뷰] Development of an ASIC for Dual Mirror Telescopes of the Cherenkov Telescope Array

J. Vandenbroucke, K. Bechtol외 4명|arXiv (Cornell University)|2011. 10. 21.

Particle Detector Development and Performance인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 셰르레노프스키-쿠더 망원경에서 광전자 배승관 신호의 고속 디지털화를 위해 설계된 16채널, 1 GSa/s 응용 특화 집적회로(TARGET 1 ASIC)를 제시한다. 4개의 TARGET ASIC와 64채널 MAPMT를 조합한 프로토타입 카메라 모듈은 3.3 kHz에서 병렬 웨이브폼 수집을 성공적으로 구현하여, 채널당 비용을 감소시키면서도 넓은 시야, 고감도 감마선 탐지에 적합한 시스템임을 검증하였다.

ABSTRACT

We have developed an application-specific integrated circui (ASIC) for photomultipler tube (PMT) waveform digitization which is well-suited for the Schwarzschild-Couder optical system under development for the Cherenkov Telescope Array (CTA) project. The key feature of the "TARGET" ASIC is the ability to read 16 channels in parallel at a sampling speed of 1 GSa/s or faster. In combination with a focal plane instrumented with 64-channel multi-anode PMTs (MAPMTs), TARGET digitizers will enable CTA to achieve a wider field of view than the current Cherenkov telescopes and significantly reduce the cost per channel of the camera and readout electronics. We have also developed a prototype camera module, consisting of 4 TARGET ASICs and a 64-channel MAPMT. We report results from performance testing of the camera module and of the TARGET ASIC itself.

연구 동기 및 목표

• 셰르레노프스키-쿠더 망원경을 위한 저비용, 고대역폭 읽기 시스템을 설계하기 위해.
• 광전자 배승관 16채널을 1 GSa/s에서 병렬 디지털화할 수 있도록 하여 광시야각 이미징 대기권 체르노프스키 망원경의 성능을 지원하기 위해.
• 고속 디지털화 기능을 ASIC에 직접 통합하여 카메라 시스템의 채널당 비용을 감소시키기 위해.
• 실제 MAPMT 웨이브폼을 사용하여 TARGET 1 ASIC 및 프로토타입 카메라 모듈의 성능을 검증하기 위해.
• 향후 세대 TARGET 2 ASIC의 기초를 마련하기 위해, 더 높은 대역폭, 더 넓은 다이내믹 레인지, 더 낮은 크로스타크을 향한 개선을 위해.

제안 방법

• TARGET 1 ASIC는 1 GSa/s에서 샘플링된 웨이브폼을 저장하기 위해 4096개의 커패시터 셀을 256개의 블록(32열 × 8행)으로 나누어 구성한다. 각 셀은 1 ns에 해당한다.
• 웨이브폼은 그레이 코드 카운터가 각 저장 커패시터의 전압을 측정하는 위르키니식 아날로그-디지털 변환기로 디지털화된다.
• 시스템은 16채널 병렬 입력을 지원하며, 디지털화가 쌍으로 수행된다. 한 트리거당 3개의 블록으로 48–64 ns의 웨이브폼 길이를 확보한다.
• 현장 프rogrammable 게이트 어레이(FPGA)는 외부 전압 $V_{\mathrm{ped}}$를 통해 트리거 논리, 신호 임피던스 및 페달 레벨을 제어한다.
• 카메라 모듈 프로토타입은 4개의 TARGET 1 ASIC, 64채널 MAPMT, 고전압 전원 장치, USB 및 파이버 옵틱 인터페이스, 데이터 수집을 위한 FPGA를 통합한다.
• 데이터 전송은 파이버 옵틱 인터페이스를 통해 이루어지며, 128개의 웨이브폼(64채널 × 2모듈)에 대해 3.3 kHz 이상의 속도로 전송되며, 저속 초기 테스트에는 USB가 사용된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 16채널, 1 GSa/s ASIC가 체르노프스키 망원경 응용에 충분한 대역폭과 낮은 크로스타크를 확보할 수 있는가?
• RQ2 TARGET 1 ASIC와 카메라 모듈 프로토타입이 고속 이벤트 레이트에서 MAPMT의 64채널 웨이브폼을 성공적으로 디지털화하고 전송할 수 있는가?
• RQ3 실제 환경 조건에서 ASIC의 가용 아날로그 대역폭과 신호 선형성은 어느 정도인가?
• RQ4 페달 레벨 해상도와 단일 광전자 반응 측면에서 시스템 성능은 어떠한가?
• RQ5 TARGET 1 시스템이 체르노프스키 망원경의 향후 세대 망원경을 위한 비용 및 성능 목표를 얼마나 충족시킬 수 있는가?

주요 결과

• 측정된 TARGET 1 ASIC의 아날로그 대역폭은 -3 dB에서 150 MHz를 기록하였으며, TARGET 2 버전에서는 시뮬레이션을 통해 >380 MHz까지 향상될 것으로 예상된다.
• 크로스타크는 3 dB 대역폭에서 <4%로 측정되었으며, TARGET 2는 이를 1%로 감소시킬 것으로 기대된다.
• 카메라 모듈 프로토타입은 파이버 인터페이스를 통해 64채널 웨이브폼을 3.3 kHz를 초과하는 속도로 성공적으로 수집하고 전송하였다.
• 시스템은 안정적인 내부 트리거 기능과 단일 광전자 피크의 정확한 디지털화를 보여주었으며, 페달 노이즈와의 명확한 분리가 이루어졌다.
• 디지털화 노이즈가 관측되었지만, 이는 ASIC 자체의 내재적 제한이 아니라 외부 구성 요소에서 기인한 것으로 판단되어, TARGET 1의 본질적 한계는 아님을 시사한다.
• 프로토타입은 4개의 TARGET ASIC와 64채널 MAPMT의 조합이 CTA의 광시야각 망원경을 위한 확장 가능하고, 모듈식이며, 저비용의 읽기 시스템을 가능하게 한다는 것을 확인하였다.