[논문 리뷰] Development of the photomultiplier tube readout system for the first Large-Sized Telescope of the Cherenkov Telescope Array

Shu Masuda, Y. Konno외 32명|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 02.

Radiation Detection and Scintillator Technologies참고 문헌 6인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 체렌코프 망원경 어 schemes (CTA)의 대형 망원경(LST)을 위한 고속·저전력 광증폭관(PMT) 읽기 시스템을 제시한다. DRS4 아날로그 메모리 ASIC를 사용하여 PMT 신호를 1 GHz에서 샘플링하며, 채널당 2.64 W의 전력 소모를 달성하여, 0.2에서 2000개의 광전자까지의 다이내믹 레인지와 단일 광전자에 대해 5.26의 신호대잡음비(SNR)를 확보함으로써, 고에너지 체렌코프 방사선 관측에서 야간 천체배경 오염을 효과적으로 억제할 수 있다.

ABSTRACT

The Cherenkov Telescope Array (CTA) is the next generation ground-based very high energy gamma-ray observatory. The Large-Sized Telescope (LST) of CTA targets 20 GeV -- 1 TeV gamma rays and has 1855 photomultiplier tubes (PMTs) installed in the focal plane camera. With the 23 m mirror dish, the night sky background (NSB) rate amounts to several hundreds MHz per pixel. In order to record clean images of gamma-ray showers with minimal NSB contamination, a fast sampling of the signal waveform is required so that the signal integration time can be as short as the Cherenkov light flash duration (a few ns). We have developed a readout board which samples waveforms of seven PMTs per board at a GHz rate. Since a GHz FADC has a high power consumption, leading to large heat dissipation, we adopted the analog memory ASIC "DRS4". The sampler has 1024 capacitors per channel and can sample the waveform at a GHz rate. Four channels of a chip are cascaded to obtain deeper sampling depth with 4096 capacitors. After a trigger is generated in a mezzanine on the board, the waveform stored in the capacitor array is subsequently digitized with a low speed (33 MHz) ADC and transferred via the FPGA-based Gigabit Ethernet to a data acquisition system. Both a low power consumption (2.64 W per channel) and high speed sampling with a bandwidth of $>$300 MHz have been achieved. In addition, in order to increase the dynamic range of the readout we adopted a two gain system achieving from 0.2 up to 2000 photoelectrons in total. We finalized the board design for the first LST and proceeded to mass production. Performance of produced boards are being checked with a series of quality control (QC) tests. We report the readout board specifications and QC results.

연구 동기 및 목표

• LST 카메라에서 초단기 체렌코프 빛 플래시(수 나노초 이내)를 발생시키는 PMT의 고정밀·저잡음 샘플링을 가능하게 하기 위해.
• 각 픽셀당 수백 MHz에 이르는 야간 천체배경(NSB) 오염을 최소한도의 통합 시간으로 억제하기 위해 고속 샘플링을 통해 신호를 빠르게 처리하기 위해.
• 대량 생산이 가능하고 신뢰성 있는 읽기 전자 회로를 확보하기 위해, 0.2~2000 광전자의 넓은 다이내믹 레인지와 채널당 2.64 W 이하의 저전력 소비를 달성하기 위해.
• 유연하고 고임계수의 감마선 쇼어 검출을 위한 아날로그 및 디지털 트리거 시스템과의 호환성을 확보하기 위해.
• 첫 번째 LST에 도입하기 전에 대량 생산된 보드의 철저한 품질관리(QC) 테스트를 통해 시스템 성능을 검증하기 위해.

제안 방법

• 1024개의 커패시터를 채널당 사용하여, 총 4096샘플의 깊이를 확보하기 위해 4개의 채널을 연결하여 DRS4 아날로그 메모리 ASIC를 사용해 PMT 신호를 1 GHz에서 샘플링함.
• GHz FADC에 비해 전력 소모를 줄이기 위해, 트리거 신호 생성 후 저속(33 MHz) ADC를 사용해 저장된 웨이브폼을 디지털화함.
• PMT 신호의 다이내믹 레인지 범위를 0.2에서 2000 광전자까지 확장하기 위해 이중 증폭도(고감도 및 저감도) 시스템을 구현함.
• FPGA 기반 기가비트 이더넷(SiTCP를 통한)을 통합하여 데이터 수집 시스템으로의 고속 데이터 전송을 구현함.
• 개별 고/저감도 및 트리거 신호 라인을 갖춘 모듈식 7-PMT 읽기 보드를 설계하여, 백플레인과 메즈니니 보드를 통해 연결함.
• 아날로그(저수준/중간수준 메즈니니) 및 디지털(픽셀 수준의 분류) 트리거 모드를 모두 지원하며, 교환 가능한 메즈니니 보드를 구현함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DRS4 ASIC는 PMT에서 발생하는 피크가 수 나노초 이내인 초단기 체렌코프 빛 플래시를 해상할 수 있을 정도로 충분한 샘플링 속도(1 GHz)와 대역폭(>300 MHz)을 확보할 수 있는가?
• RQ2 DRS4 기반 시스템은 높은 신호 정밀도와 다이내믹 레인지 유지 조건에서 채널당 ≤2.64 W 이하의 저전력 소비를 달성할 수 있는가?
• RQ3 이 읽기 아키텍처를 사용할 경우, 단일 광전자 신호의 신호대잡음비는 얼마인가?
• RQ4 대규모 카메라 시스템에서 1855개의 PMT 픽셀을 구현할 경우, 대량 생산 조건에서도 선형성과 낮은 크로스톺킹을 유지를 할 수 있는가?
• RQ5 대량 생산된 보드의 성능 지표(잡음, 크로스톺킹, 비선형성)는 설계 사양과 비교해 어떻게 되는가?

주요 결과

• 고감도 라인은 300 MHz 이상의 대역폭을 확보하여, FWHM가 2 ns 이내로 매우 빠른 가우시안 웨이브폼을 해상하는 데에 충분함.
• 단일 광전자에 대해 측정된 신호대잡음비는 5.26이며, 전하 분포에 명확한 피크가 나타나고, 페달 플랫폼의 RMS가 낮은 잡음 수준과 일치함.
• 1 GHz 샘플링 속도에서 트리거 신호의 시간 잡음은 1 ns 이내(rms 기준)로 측정되어 쇼어 재구성에 정밀한 타이밍을 보장함.
• 모든 69개의 품질검사 통과 보드에서 0.2 광전자 이하의 잡음 수준(rms 기준, 신호 없음 상태)을 확보하여 낮은 전자 잡음을 확인함.
• 채널 간 최대 크로스톺킹은 입력 진폭의 0.6% 미만으로 측정되어 뛰어난 신호 분리 성능을 입증함.
• 모든 보드에서 비선형성은 이상 응답의 ±5% 이내로 측정되어, 0.2에서 2000 광전자까지의 전체 다이내믹 레인지에서 높은 선형성을 유지함.