[논문 리뷰] The readout system of the MAGIC-II Cherenkov Telescope

D. Tescaro, Jelena Aleksić외 10명|arXiv (Cornell University)|2009. 07. 02.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 2인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 광학 신호 전송, 고대역폭 MONSTER 수신 보드, 2 GSa/s에서 12비트 해상도로 초고속 DRS2 샘플링을 특징으로 하는 MAGIC-II 츄레노프 망원경의 신호 읽기 시스템을 제시한다. 이 시스템은 정밀한 타이밍 측정과 높은 데이터 처리 속도(최대 200 MB/s)를 가능하게 하며, 온라인 캘리브레이션과 다중 스레드 C++ DAQ 프로그램을 통한 강력한 데이터 수집을 통해 지속 가능한 1 kHz 트리거 레이트를 지원한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 초고속 츄레노프 펄스를 나노초 이하의 타이밍 해상도로 캡처할 수 있는 고대역폭, 저지터 신호 읽기 시스템을 개발하기 위해.
• Domino Ring Sampler(DRS2) 칩를 사용해 2 GSa/s에서 초고속 샘플링을 통해 정밀한 신호 도착 시간 측정과 배경 신호 분리 기능을 실현하기 위해.
• 최대 200 MB/s의 높은 데이터 처리 속도를 달성하고, VHE 감마선 관측을 위한 지속 가능한 1 kHz 트리거 레이트를 지원하기 위해.
• VME 및 S-LINK 인터페이스를 통해 통합 캘리브레이션과 모니터링이 가능한 완전 프로그래머블하고 안정적이며 원격 제어가 가능한 읽기 체인을 구현하기 위해.
• 다중 스레드 DAQ 소프트웨어 아키텍처를 통해 실시간 캘리브레이션과 이벤트 조립을 수행함으로써 데이터 무결성과 실시간 처리를 확보하기 위해.

제안 방법

• 광섬유를 통해 80m 떨어진 카메라에서 온 PMT의 아날로그 신호를 카운팅 하우스로 전송하며, 여기서 MONSTER 수신 보드가 다시 전기 신호로 변환한다.
• MONSTER 보드는 신호를 분할: 한 경로는 레벨 1 트리거 시스템에 공급하고, 다른 경로는 DRS2 칩에 전달되어 2 GSa/s에서 12비트 해상도로 초고속 샘플링을 수행한다.
• DRS2 칩는 각 픽셀당 1024개의 커패시터에 신호를 일시적으로 저장하여 배경 억제에 핵심적인 정밀한 시간 도착 측정을 가능하게 한다.
• 데이터는 외부 ADC를 통해 40 MHz에서 디지털화되고, S-LINK 광학 인터페이스를 통해 FILAR PCI 카드와 HOLA 보드를 통해 중앙 컴퓨터로 전송된다.
• DAQ 소프트웨어인 DominoReadout는 다중 스레드 C++ 프로그램으로, 이벤트 조립, DRS2 응답에 대한 온라인 캘리브레이션, 16 TB RAID 디스크 시스템에 대한 데이터 저장을 수행한다.
• 저속 제어는 MIR 소프트웨어가 담당하며, VME 인터페이스를 통해 트리거 시스템, 캘리브레이션 장치, 전역 트리거 논리의 설정 및 모니터링을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대형 입사구 망원경의 PMT에서 발생하는 피크 나노초 이하의 츄레노프 펄스를 캡처할 수 있는 고대역폭, 저지터 읽기 시스템을 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 VHE 감마선 츄레노프 망원경에서 정밀한 타이밍 측정과 효과적인 배경 억제를 가능하게 하는 샘플링 아키텍처는 무엇인가?
• RQ3 픽셀당 1024개 커패시터 배열에서 발생하는 비선형성에 기인한 DRS2 칩 응답을 실시간으로 온라인 캘리브레이션하여 데이터 정확도를 유지할 수 있는가?
• RQ4 200 MB/s의 데이터 처리 속도와 함께 데이터 무결성과 낮은 지연 시간을 확보하면서도 1 kHz 트리거 레이트를 지원할 수 있는 시스템 아키텍처는 무엇인가?
• RQ5 VME 및 S-LINK 인터페이스를 활용해 전체 읽기 체인에 대해 모듈식이고 원격 제어가 가능하며 안정적인 제어 시스템을 어떻게 구현할 수 있는가?

주요 결과

• 신호 읽기 시스템은 2 GSa/s의 샘플링 속도와 12비트 해상도를 달성하여 배경 억제에 핵심적인 정밀한 신호 도착 시간 측정이 가능하다.
• 지속 가능한 1 kHz 트리거 레이트를 지원하며, 데이터 저장 속도는 200 MB/s이며, 피크 처리 속도는 야간 기준 1 TB를 초과한다.
• MONSTER 수신 보드는 <100 ps 지터, <1 ns 채널 간 지연, <30% 이득 분산을 제공하여 고도의 신호 무결성과 타이밍 안정성을 확보한다.
• 각 픽셀당 1024개 커패시터 배열의 비선형성에 기인한 DRS2 칩 응답을 전용 캘리브레이션 곡선을 통해 온라인 캘리브레이션하여 보정한다.
• 다중 스레드 DAQ 소프트웨어(DominoReadout)는 읽기, 분석, 쓰기 스레드를 병렬 처리함으로써 효율적인 데이터 처리를 달성하며, 4000개 이벤트 깊이의 링 버퍼 아키텍처를 사용한다.
• 실시간 온라인 분석이 가능하여 신호 강도 및 도착 시간 재구성 기능을 제공하며, 중앙 제어 모니터에 즉각적인 쇼어 이미지 표시가 가능하다.