[论文解读] FlashCam: a fully-digital camera for the medium-sized telescopes of the Cherenkov Telescope Array

G. Pühlhofer, C. Bauer+32 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2015

Particle Detector Development and Performance参考文献 2被引用 13

一句话总结

本文提出 FlashCam，一种专为切伦科夫望远镜阵列（CTA）中型望远镜（MSTs）设计的全数字相机系统，采用商用FADC和FPGA实现连续、高带宽信号数字化及基于以太网的数据传输。原型机在50 kHz突发率下实现无死时间运行，持续数据速率超过2 GByte/s，并在环境应力测试中表现出高可靠性，验证了下一代切伦科夫望远镜采用全数字、模块化且可维护设计的可行性。

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.

研究动机与目标

• 为切伦科夫望远镜阵列（CTA）的中型望远镜（MSTs）开发一种全数字、可扩展且可靠的相机系统。
• 验证基于商用现成组件（FADC、FPGA、以太网）的全数字读出架构在高能伽马射线天文学中的可行性。
• 设计一种便于维护的系统，采用可更换单元（LRUs），实现在现场一小时内完成维修。
• 通过原型测试和应力循环验证系统在极端环境条件下的性能表现。
• 为FlashCam相机在CTA阵列中的大规模生产和部署做好准备。

提出的方法

• FlashCam系统采用水平架构，光子探测平面（PDP）使用高量子效率光电倍增管（PMT），以50 mm六边形间距排列。
• 信号以250 MS/s的速率、12位分辨率通过FADC连续数字化，由FPGA实时处理，并由FPGA生成触发信号。
• 所有前端电子设备通过高性能内部以太网网络连接至相机服务器，用于事件构建、数据格式化和传输。
• 相机服务器运行定制软件，实现高带宽数据传输（>2 GByte/s）、零抑制处理，并与CTA阵列触发系统集成。
• 系统采用固件控制、支持多启动的FPGA，并支持通过以太网进行外部固件更新。
• 相机机身设计为“可进入”结构，PDP模块可访问，读出板安装于后方，实现无需拆卸光学系统即可快速完成现场维护。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于商用组件（FADC、FPGA、以太网）的全数字、全数字化读出系统能否满足CTA MSTs对性能和可靠性的严格要求？
• RQ2 基于以太网的全数字相机系统在切伦科夫望远镜中可实现的最大持续数据速率和突发事件率是多少？
• RQ3 系统在温差和环境应力下的表现如何？其预期可靠性和使用寿命是多少？
• RQ4 相机设计能否实现组件更换时间少于一小时，且无需将相机从望远镜上拆下？
• RQ5 在长期运行和循环操作下，关键组件（如FADC板和PMT模块）的失效模式和失效率如何？

主要发现

• FlashCam原型机在相机服务器端实现超过2 GByte/s的持续数据速率，且在50 kHz突发率下实现无死时间运行。
• 系统在超过1,000小时累计运行时间中表现稳定，涵盖超过250个FADC通道和144个像素，包括多次断电重启。
• 在气候室中对196通道机箱进行应力测试，经历30多次10°C至40°C的循环，以及数小时>70°C高温后，性能未见退化，亦无硬件损失。
• 相机设计支持主动组件（如PDP模块或读出板）的更换时间少于一小时，无需将相机从望远镜上拆下，亦无需扰动光学系统。
• 采用固件控制的商用FADC和FPGA可实现灵活、可重构的触发方案，并支持远程固件更新。
• 全尺寸FlashCam原型正在建造中，计划于2016年完成两台预生产样机，以优化制造流程并为大规模生产做准备。