[論文レビュー] Development of the Photomultiplier-Tube Readout System for the CTA Large Size Telescope

H. Kubo, R. Paoletti+52 more|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2013

Radiation Detection and Scintillator Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、Cherenkov Telescope Array の Large Size Telescope (LST) を対象に、2 GHz で 4,096 サンプリング点ごとのチャンネルで PMT 信号をサンプリングする DRS4 アナログメモリ ASIC を使用した、高速・低消費電力の PMT 読み出しシステム「Dragon プロトタイプ」を提示する。このシステムは単一光電子パルスを正常にデジタル化し、3.6 の信号対雑音比を達成した。これは、広動態範囲、コンact かつコスト効率の良い VHE ガンマ線検出の実現可能性を示している。

ABSTRACT

We have developed a prototype of the photomultiplier tube (PMT) readout system for the Cherenkov Telescope Array (CTA) Large Size Telescope (LST). Two thousand PMTs along with their readout systems are arranged on the focal plane of each telescope, with one readout system per 7-PMT cluster. The Cherenkov light pulses generated by the air showers are detected by the PMTs and amplified in a compact, low noise and wide dynamic range gain block. The output of this block is then digitized at a sampling rate of the order of GHz using the Domino Ring Sampler DRS4, an analog memory ASIC developed at Paul Scherrer Institute. The sampler has 1,024 capacitors per channel and four channels are cascaded for increased depth. After a trigger is generated in the system, the charges stored in the capacitors are digitized by an external slow sampling ADC and then transmitted via Gigabit Ethernet. An onboard FPGA controls the DRS4, trigger threshold, and Ethernet transfer. In addition, the control and monitoring of the Cockcroft-Walton circuit that provides high voltage for the 7-PMT cluster are performed by the same FPGA. A prototype named Dragon has been developed that has successfully sampled PMT signals at a rate of 2 GHz, and generated single photoelectron spectra.

研究の動機と目的

• CTA Large Size Telescope (LST) のためのコンパクトで低消費電力かつコスト効率の良い PMT 読み出しシステムを設計すること。LST では、高時間分解能を必要とする数千の PMT チャンネルが必要である。
• VHE ガンマ線検出における高い夜間スカイバックグラウンド (NSB) の課題に対処するため、短いチェレンコフ光パルス (3–4 ns FWHM) を高速かつ高帯域幅でデジタル化すること。
• 広動態範囲 (>1000 p.e.) と単一光電子分解能を達成し、ガンマ線天文学におけるエネルギー閾値と感度を向上させること。
• 1 つの 7-PMT クラスタあたり 1 つのシステムを備えたスケーラブルでモジュラーな読み出しアーキテクチャを開発し、大規模生産と LST カメラシステム全体への統合を可能とすること。

提案手法

• 最大 5 GS/s で動作する DRS4 アナログメモリ ASIC を使用。1 チャンネルあたり 1,024 個のコンデンサを備え、4 チャンネルをカスケード接続することで、1 GS/s で 4,096 サンプリング点（4 µs の深さ）を実現。
• PMT 信号の条件付けに、Mini-circuits LEE-39+ を使用したプリアンプを採用。高利得・低利得の別々のチャンネルを設け、動的範囲を拡大。
• FPGA を用いて DRS4 サンプリングのリアルタイム制御、トリガ閾値処理、SRAM におけるデータバッファリング、および SiTCP プロトコルを介したギガビットイーサーネット伝送を実装。
• 7-PMT クラスタ用の Cockcroft-Walton 高電圧供給源を統合。FPGA を用いた監視と制御により、安定性と信頼性を確保。
• トリガ発行後に DRS4 コンデンサに蓄えられた電荷を、低速サンプリング ADC (約 30 MHz) でデジタル化することで、完全な波形再構成を可能に。
• キャリブレーションに紫外線レーザーと LED を使用。単一光電子スペクトルと信号対雑音比の測定が可能となった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DRS4 ASIC は、3–4 ns FWHM のチェレンコフシャワー由来のサブナノ秒級 PMT パルスを正確に再構成できる十分なサンプリング速度（≥2 GHz）と深さ（≥4,096 点）を達成できるか？
• RQ2 システムは 1000 光電子を超える動的範囲を達成しながら、単一光電子分解能と低雑音を維持できるか？
• RQ3 FPGA を用いた制御システムは、高速データ取得、トリガ生成、ギガビットイーサーネット伝送を最小限のデッドタイムで効率的に管理できるか？
• RQ4 デジタル化された PMT 信号における単一光電子ピークの信号対雑音比は何か？また、VHE ガンマ線検出の要件を満たしているか？
• RQ5 システムはスケーラブルであり、2,000 個の PMT と 286 個の PMT クラスタを有する完全な LST カメラに向けた大規模生産に適しているか？

主な発見

• Dragon プロトタイプは 2 GS/s で 4,096 点のサンプリング深度を達成し、3–4 ns FWHM のチェレンコフパルスを完全に再構成可能であった。
• 高利得チャンネルでは 60 p.e. の動的範囲と 0.1 p.e.（rms）のノイズレベルを達成。低利得チャンネルでは 2,500 p.e. を達成し、>1,000 p.e. の要件を満たした。
• 単一光電子ピークの信号対雑音比は 3.6 を達成。これは (単一 p.e. パルスの平均 - ペダル平均) / ペダル RMS として測定された。
• 測定された帯域幅は高利得で 260 MHz、低利得で 190 MHz であり、DRS4 読み出しボードがプリアンプの帯域特性を保持していた。
• 1 kHz 時にデッドタイムは 0.9%、7 kHz 時に 5.4% であり、連続データ取得において低遅延かつ高効率であることが示された。
• スペクトルに明確な単一光電子ピークが観測され、利得 5×10⁴ の条件下で個々の光電子を分解能で解像できることを確認した。