[논문 리뷰] FlashCam: a fully-digital camera for the medium-sized telescopes of the Cherenkov Telescope Array

G. Pühlhofer, C. Bauer외 32명|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 08.

Particle Detector Development and Performance참고 문헌 2인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 Cherenkov Telescope Array (CTA)의 중형망원경(MSTs)를 위한 완전히 디지털 카메라 시스템인 FlashCam을 제시한다. 이 시스템은 연속적이고 고대역폭의 신호 디지털화와 이더넷 기반의 데이터 전송을 위해 상용 FADC와 FPGA를 활용한다. 프로토타입은 50 kHz의 버스트 레이트까지 사라짐 없는 작동을 보이며, 지속적인 데이터 전송 속도가 2 GByte/s를 초과하고 환경 스트레스 시험에서 높은 신뢰성을 입증하여, 차세대 Cherenkov 망원경에 적합한 완전히 디지털화된 모듈식이고 유지보수 가능한 설계의 실현 가능성을 입증한다.

ABSTRACT

The FlashCam group is currently preparing photomultiplier-tube based cameras proposed for the medium-sized telescopes (MST) of the Cherenkov Telescope Array (CTA). The cameras are designed around the FlashCam readout concept which is the first fully-digital readout system for Cherenkov cameras, based on commercial FADCs and FPGAs as key components for the front-end electronics modules and a high performance camera server as back-end. This contribution describes the progress of the full-scale FlashCam camera prototype currently under construction, as well as performance results also obtained with earlier demonstrator setups. Plans towards the production and implementation of FlashCams on site are also briefly presented.

연구 동기 및 목표

• Cherenkov Telescope Array의 중형망원경(MSTs)을 위한 완전히 디지털화되고 확장 가능하며 신뢰성 있는 카메라 시스템을 개발하기 위해.
• 고에너지 감마선 천문학을 위한 상용 오프더쇼퍼 컴포넌트(FADC, FPGA, 이더넷) 기반의 완전히 디지털 읽기 아키텍처의 실현 가능성을 검증하기 위해.
• 현장에서 1시간 이내에 교체 가능한 라인-레플레서블 유닛(LRUs)을 갖춘 유지보수 우수한 시스템을 설계하기 위해.
• 프로토타입 테스트와 스트레스 사이클을 통해 극한 환경 조건 하에서의 성능을 검증하기 위해.
• CTA 어레이에 대량 생산 및 배치를 위한 준비를 하기 위해.

제안 방법

• FlashCam 시스템은 고양자효율성 광전자관측판(PMT)을 50 mm 피치의 정육각형 구조로 배열한 광자 탐지 평면(PDP)을 갖춘 수평 아키텍처를 채택한다.
• 신호는 250 MS/s 속도로 12비트 FADC를 사용해 연속적으로 디지털화되며, 실시간 처리는 FPGA에서 수행되며, 트리거 신호도 여기서 유도된다.
• 모든 프론트엔드 전자기기는 고성능 내부 이더넷 네트워크를 통해 카메라 서버에 연결되며, 이곳에서 이벤트 구축, 데이터 포맷팅, 전송이 이루어진다.
• 카메라 서버는 고대역폭 데이터 전송(>2 GByte/s), 제로-서프레션, CTA 어레이 트리거 시스템과의 통합을 위한 맞춤형 소프트웨어를 실행한다.
• 펌웨어 제어가 가능한 다중 부팅 기능을 갖춘 FPGA를 사용하며, 이더넷을 통한 외부 펌웨어 업데이트를 지원한다.
• 카메라 본체는 PDP 모듈과 뒷면에 장착된 읽기 보드에 접근 가능한 '워크인' 구조로 설계되어 있으며, 광학계를 분해하지 않고도 현장에서 신속한 유지보수를 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 상용 컴포ONENTS(FADC, FPGA, 이더넷) 기반의 완전히 디지털화된 읽기 아키텍처가 CTA MST의 엄격한 성능 및 신뢰성 요구사항을 충족할 수 있는가?
• RQ2 Cherenkov 망원경을 위한 완전히 디지털화된 이더넷 기반 카메라 시스템에서 얻을 수 있는 최대 지속 가능한 데이터 전송 속도와 버스트 이벤트 레이트는 얼마인가?
• RQ3 시스템은 열 및 환경 스트레스 하에서 어떻게 작동하며, 기대되는 신뢰성과 수명은 어떠한가?
• RQ4 카메라 설계는 망원경에서 카메라를 분리하거나 광학계를 손대지 않고도 1시간 이내에 모듈을 교체할 수 있도록 할 수 있는가?
• RQ5 장시간 운용 및 사이클링 조건에서 FADC 보드와 PMT 모듈 등의 핵심 컴포넌트의 고장 유형과 고장률은 무엇인가?

주요 결과

• FlashCam 프로토타입은 카메라 서버에서 지속적인 데이터 전송 속도가 2 GByte/s를 초과하며, 50 kHz의 버스트 레이트까지 사라짐 없는 작동이 가능하다.
• 시스템은 1,000시간 이상의 누적 운용 시간 동안 250개 이상의 FADC 채널과 144개의 픽셀을 포함해 수많은 전원 사이클을 거친 후에도 신뢰성 있게 작동하였다.
• 기후 챔버에서 196채널 크레이트를 대상으로 한 스트레스 테스트 결과, 10°C에서 40°C 사이의 30회 이상의 사이클과 70°C 이상에서 수 시간의 조건에서도 성능 저하나 하드웨어 손실이 없었다.
• 카메라 설계는 PDP 모듈이나 읽기 보드와 같은 활성 컴포넌트를 망원경에서 카메라를 분리하거나 광학계를 손대지 않고도 1시간 이내에 교체할 수 있도록 하였다.
• 펌웨어 제어가 가능한 상용 FADC와 FPGA의 사용은 영리한 재구성 가능한 트리거 방식과 원격 펌웨어 업데이트를 가능하게 하였다.
• 전체 규모의 FlashCam 프로토타입은 현재 제작 중이며, 2016년에는 양산 최적화를 위해 두 대의 프리프로덕션 단위 제작을 계획하고 있다.