[论文解读] Development of the photomultiplier tube readout system for the first Large-Sized Telescope of the Cherenkov Telescope Array

Shu Masuda, Y. Konno+32 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2015

Radiation Detection and Scintillator Technologies参考文献 6被引用 10

一句话总结

本文提出了一种用于切伦科夫望远镜阵列（CTA）中的大型望远镜（LST）的高速、低功耗光电倍增管（PMT）读出系统。该系统采用DRS4模拟存储ASIC，在1 GHz采样率下实现每通道2.64 W的功耗，动态范围为0.2至2000个光电子，单光电子信号的信噪比达到5.26，可有效抑制甚高能伽马射线观测中的夜空背景污染。

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.

研究动机与目标

• 实现对LST相机中光电倍增管产生的超短切伦科夫光脉冲（几纳秒）的高保真、低噪声采样。
• 通过快速采样以最小化积分时间，有效抑制每像素达数百MHz的夜空背景（NSB）污染。
• 在可大规模生产、高可靠性的读出电子系统中，实现高动态范围（0.2–2000光电子）和低功耗（每通道2.64 W）。
• 确保与模拟和数字触发系统的兼容性，以支持灵活、高阈值的伽马射线簇射探测。
• 通过严格的质量控制（QC）测试，验证大规模生产电路板在首台LST部署前的系统性能。

提出的方法

• 采用DRS4模拟存储ASIC，利用每通道1024个电容，以1 GHz采样率对PMT信号进行采样，通过级联四个通道实现4096点采样深度。
• 在触发信号生成后，使用低速（33 MHz）ADC对存储波形进行数字化，相比GHz级FADC，显著降低功耗。
• 实现双量程系统（高增益与低增益），将PMT信号的动态范围扩展至0.2至2000个光电子。
• 通过FPGA实现千兆以太网（经SiTCP）接口，实现与数据采集系统的高速数据传输。
• 设计了模块化7-PMT读出板，包含独立的高/低增益和触发信号走线，通过背板和夹层板连接。
• 支持双触发模式：模拟触发（L0/L1夹层板）和数字触发（像素级判别），且夹层板可互换。

实验结果

研究问题

• RQ1 DRS4 ASIC能否实现足够的采样速度（1 GHz）和带宽（>300 MHz），以分辨光电倍增管产生的亚纳秒级切伦科夫光脉冲？
• RQ2 基于DRS4的系统能否在保持高信号保真度和动态范围的同时，实现低功耗（每通道≤2.64 W）？
• RQ3 该读出架构下，单光电子信号的信噪比可达到多高？
• RQ4 在大规模生产条件下，该系统在大型相机系统中（1855个PMT像素）能否保持线性响应和低串扰？
• RQ5 大规模生产电路板的性能指标（噪声、串扰、非线性）与设计规格相比如何？

主要发现

• 高增益通道的带宽超过300 MHz，足以分辨全宽半最大值（FWHM）快至2 ns的高斯波形。
• 单光电子信号的信噪比实测为5.26，电荷分布中存在清晰峰值，基线均方根值与低噪声水平一致。
• 触发信号的时间抖动在1 GHz采样率下小于1 ns（均方根），确保了簇射重建所需的精确时间同步。
• 所有69块经质量检查的电路板噪声水平均低于0.2个光电子（零信号事件的均方根），证实了电子噪声极低。
• 通道间最大串扰低于输入幅度的0.6%，表明信号隔离性能优异。
• 所有电路板的非线性度均在理想响应的±5%以内，证实了在0.2至2000个光电子的全动态范围内具有高线性度。