[论文解读] Upgrade of the MAGIC Telescope with a Multiplexed Fiber-Optic 2 GSamples/s FADC Data Acquisition system

MAGIC Collaboration, F. Göebel+7 more|ArXiv.org|Sep 14, 2007

Particle Detector Development and Performance参考文献 2被引用 3

一句话总结

本文提出了一种成本效益高的、基于光纤多路复用的2 GSamples/s FADC数据采集系统，用于MAGIC切伦科夫望远镜，通过光学信号延迟实现单个FADC对16个PMt通道的高速数字化。该系统实现了可持续1 kHz触发率，时间分辨率390 ps，动态范围800，显著提升了伽马射线灵敏度并增强了背景抑制能力。

ABSTRACT

In February 2007 the MAGIC Air Cherenkov Telescope for gamma ray astronomy was fully upgraded with a fast 2 GSamples/s digitization system. The upgraded readout system uses a novel fiber-optic multiplexing technique. It consists of 10-bit 2 GSamples/s FADCs to digitize 16 channels consecutively and optical fibers to delay the analog signals. A distributed data acquisition system using GBit Ethernet and FiberChannel technology allows to read out the 100 kByte events with a continuous rate of up to 1 kHz.

研究动机与目标

• 解决高能伽马射线天文学中对更快、更低噪声数据采集系统的需求，以提升灵敏度并增强背景抑制能力。
• 通过用多路复用系统替代单个FADC，降低MAGIC望远镜中576个PMt通道数字化的成本与功耗。
• 实现对亚纳秒级切伦科夫脉冲的高时间分辨率采样，以提升伽马射线簇射剖面的重建精度并减少强子背景。
• 利用以太网和光纤通道网络，实现1 kHz的可持续数据采集速率，死时极短且数据完整性高。
• 开发一种可扩展、模块化的数据采集系统，支持高数据量（每晚高达1 TB）的实时分析与长期存储。

提出的方法

• 采用渐变折射率多模光纤实现光纤多路复用技术，对16路输入信号每通道延迟40 ns。
• 使用波长为850 nm的VCSEL二极管传输并延迟信号，光纤损耗为2.3 dB/km，确保精确的信号定时。
• 采用50/50分束比（±3%）的光学分束器，将部分光信号用于触发生成，确保低抖动（1.25 ns）的信号判决。
• 通过PIN二极管将光信号转换回电信号，并利用时钟频率为800 MHz的高带宽MOSFET开关，将16路信号依次路由至单个FADC。
• 使用DC282 10位、2 GSamples/s FADC（输入范围1 V，带宽700 MHz）进行信号数字化，将10位数据映射为16位以校正非线性。
• 每通道配备512 kByte片上RAM存储数据，通过cPCI总线异步读出至基于Linux的中央服务器（MUXDAQ），并利用GBit以太网和光纤通道实现高吞吐量数据传输。

实验结果

研究问题

• RQ1 光纤多路复用技术是否能在保持高时间分辨率的同时，降低FADC成本与功耗，适用于切伦科夫望远镜应用？
• RQ2 采用新型2 GSamples/s FADC系统的多路复用PMt信号时，整个信号链的时间分辨率能达到多少？
• RQ3 在数字化1至800个光电子信号时，系统的动态范围与线性度表现如何？
• RQ4 系统能否在极低死时下持续维持1 kHz的触发率并保证高数据完整性？
• RQ5 提升的时间分辨率在伽马射线天文学中对背景抑制与灵敏度的增强作用有多大？

主要发现

• 系统实现了1 kHz的可持续数据采集速率，通过GBit以太网最大传输速率达100 MB/s，支持无额外死时的连续运行。
• 整个信号链的时间分辨率为390 ps（两像素脉冲到达时间差的RMS），通过均匀校准脉冲测量得出。
• FADC系统表现出800个光电子的线性动态范围，饱和效应仅在该水平以上变得明显。
• 系统可分辨亚纳秒脉冲，对约5个光电子信号的FWHM为2.3 ns，表现出优异的时间保真度。
• 多路复用器在通道切换时引入约10 ns持续时间的噪声峰，但可通过分析软件去除，不影响信号完整性。
• 观测结束后24小时内可获取MUXANA服务器的校准数据，支持快速源探测；原始数据（每晚最高达1 TB）则存储于LTO3磁带以供离线处理。