[论文解读] Development of an ASIC for Dual Mirror Telescopes of the Cherenkov Telescope Array

J. Vandenbroucke, K. Bechtol+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2011

Particle Detector Development and Performance被引用 4

一句话总结

本文介绍了TARGET 1 ASIC，一种专为切伦科夫望远镜阵列（Cherenkov Telescope Array）的施瓦茨希尔德-科德勒望远镜设计的16通道、1 GSa/s专用集成电路，用于高速采集光电倍增管信号。原型相机模块集成了四个TARGET ASIC与一个64通道MAPMT，成功实现了3.3 kHz下的并行波形采集，验证了该系统在降低单通道成本的同时，具备宽视场、高灵敏度伽马射线探测的能力。

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.

研究动机与目标

• 为切伦科夫望远镜阵列的施瓦茨希尔德-科德勒望远镜设计一种低成本、高带宽的读出系统。
• 实现16个光电倍增管通道在1 GSa/s下的并行数字化，以支持宽视场成像大气切伦科夫望远镜。
• 通过在ASIC上直接集成高速数字化功能，降低相机系统中每通道的成本。
• 利用真实的MAPMT波形验证TARGET 1 ASIC及原型相机模块的性能。
• 为下一代TARGET 2 ASIC奠定基础，实现更高的带宽、更大的动态范围以及更低的串扰。

提出的方法

• TARGET 1 ASIC采用4096个电容单元组成的阵列，划分为256个模块（32列×8行），以1 GSa/s的速率存储采样波形，每个单元代表1 ns的时间分辨率。
• 波形通过一种类似Wilkinson型的模数转换器进行数字化，利用格雷码计数器测量每个存储电容上的电压。
• 系统支持16通道并行输入，数字化以成对方式进行；每次触发对应三个模块，可实现48–64 ns的波形长度。
• 现场可编程门阵列（FPGA）通过外部电压$V_{\mathrm{ped}}$控制触发逻辑、信号阻抗和基线电平。
• 相机模块原型集成了四个TARGET 1 ASIC、一个64通道MAPMT、高压电源单元、USB和光纤接口，以及用于数据采集的FPGA。
• 数据通过光纤接口传输，速率超过3.3 kHz，可处理128个波形（64个通道×2个模块），USB则用于低速初始测试。

实验结果

研究问题

• RQ1 16通道、1 GSa/s的ASIC是否具备切伦科夫望远镜应用所需的足够带宽和低串扰？
• RQ2 TARGET 1 ASIC和相机模块原型能否成功实现MAPMT的64通道波形在高事件率下的数字化与传输？
• RQ3 在真实工作条件下，ASIC可实现的模拟带宽和信号线性度如何？
• RQ4 系统在基线分辨率和单光电子响应方面表现如何？
• RQ5 TARGET 1系统在多大程度上能够满足切伦科夫望远镜阵列下一代望远镜的成本与性能目标？

主要发现

• 实测显示，TARGET 1 ASIC的模拟带宽达到150 MHz（-3 dB），模拟预测表明TARGET 2版本可提升至>380 MHz。
• 串扰测量值在3 dB带宽下低于4%，预计TARGET 2版本可将串扰降低至1%。
• 相机模块原型成功实现了通过光纤接口以超过3.3 kHz的速率采集并传输64通道波形。
• 系统表现出稳定的自触发功能，并能准确数字化单光电子脉冲峰值，与基线噪声有明显分离。
• 观察到数字化噪声，但归因于外部组件而非ASIC本身，表明该噪声并非TARGET 1的固有限制。
• 原型验证了四个TARGET ASIC与一个64通道MAPMT的组合可实现可扩展、模块化且成本可控的读出方案，适用于CTA的宽视场望远镜。