CTA計画
デュアルミラー望遠鏡用波形記録集積回路のトリガー性能の評価
河島孝則A、田島宏康A、奥村曉A、B、日高直哉A、 J.HintonB、R.WhiteB、S.FunkC、L.TibaldoC、J.VandenbrouckeD、G.VarnerE、 他 The CTA Consortium

名大 STE 研 A、レスター大 B、SLACC、ウィスコンシン大 D、ハワイ大 E

1

超高エネルギーガンマ線観測• 20 GeV から 100 TeV 以上の超高エネルギー(VHE)ガンマ線観測

Gamma-ray• VHE ガンマ線が電磁シャワーを生じ、チェレンコフ光を放射• チェレンコフ光を複数の望遠鏡

Air shower

でステレオ観測→ シャワーイメージから到来方

Cherenkov light

向を決定→ 光量からエネルギーを決定
Light poolDetection by
fast cameras intelescopes
H. J. Völk and K. Bernlöhr. 20092

Cherenkov Telescope Array (CTA)LST
4 telescopes
D = 23 m
E ~ 0.02–5 TeV

MST~20 telescopes
D = 10 ~12 m
E ~ 0.1–10 TeV

SST
30 - 70 telescopes
D=4~7m
E ~ 1–300 TeV• Large, Medium, Small, Size Telescope (LST, MST, SST) の 3 種の口径の望遠鏡を100 台規模で設置• 現在稼働している望遠鏡と比較して 10 倍ほどの感度向上• 20 GeV から 100 TeV の広い観測エネルギー帯域
3

Schwarzschild-Couder Telescope
SecondaryMirror• ガンマ線望遠鏡では初めて副鏡5.4 mを有する望遠鏡• 単鏡の望遠鏡より広い視野角（ 〜 8° ）9.7 m• 短焦点距離→ 焦点面カメラの小型化、費用Primary
Mirrorの低減が可能• MST および SST のオプションとして開発中

SC-MST の完成予想図

Vassiliev+ (2007)4

焦点面カメラ~ 78 cm~ 31 cm

SC-SST カメラのイメージ

SC-MST カメラのイメージ

光検出器 (64 チャンネル)モジュール数

5.4 cm

波形記録読み出し回路

チャンネル数 各画素の大きさ

SC-MST

221~2000

0.06°

SC-SST

32~110000.18°←光検出器と波形記録読み出し回路などで構成した
カメラモジュール

• モジュール構成→交換が容易• SC-SSTと SC-MST でほぼ同様のモジュールを使用する
5

カメラモジュールの構成

光検出器

Preamp

波形記録
集積回路

Trigger data

光検出器バイアス

FPGA

Backplane

温度制御

電源制御

Trigger
Slow control

12 V• 波形記録集積回路の役割→波形記録、デジタル変換、トリガー信号の生成• 小型で低消費電力、安価な集積回路で上記の役割を達成する
6

波形記録集積回路への要求• 多数の読み出しチャンネル: 16 ch MAPMT (64 チャンネル)• 低消費電力: ~ 70 mW/ch• 波形記録時間分解能: ~ 1 ns
• 波形記録時間: > 12 μs• 読み出し時間: < 30 μs• ダイナミックレンジ: 1 mV ~ 2 V
5.4 cm• 周波数特性 (at 3 dB) > 380 MHz

波形記録集積回路(16 チャンネル × 4)

TeV Array Readout with GSa/s sampling and Event Trigger(TARGET) の開発
7

TARGET の開発履歴
TARGET 1• 2008 年 3 月製作• 周波数特性 が ~150 MHz
TARGET 5• 2012 年 8 月製作• 周波数特性 400 MHz、クロストーク < 1%
• trigger threshold を低くできない (~25 mV, ~6 p.e.)
TARGET 7• 2013 年 12 月製作• ダイナミックレンジを大きくし、リニアリティ、温度依存性を改良• trigger threshold を改善(<10 mV, 2.5 p.e.)8TARGET の開発履歴
TARGET 1• 2008 年 3 月製作• 周波数特性 が ~150 MHz
TARGET 5• 2012 年 8 月製作• 周波数特性 400 MHz、クロストーク < 1%
• trigger threshold を低くできない (~25 mV, ~6 p.e.)
TARGET 7

トリガー性能を評価• 2013 年 12 月製作• ダイナミックレンジを大きくし、リニアリティ、温度依存性を改良• trigger threshold を改善(<10 mV, 2.5 p.e.)9

TARGET 5 の模式図
Sampling Array

Gain /Buffer Amp

32 cell block 32 cell block

Storage Array(16,384 cells)
block0

block1

block2

block3

Wilkinson
ADC

writeread

サンプリング回路
block510 block511

First Amp

Serial data out

トリガー回路Sum Ampcomparator
FPGA

refthreshold

trigger signal

Vpedestal10

トリガー性能の測定方法
16-ch input

Fiber I/O• 専用の評価ボードを使用• ファンクション・ジェネ
レータで発生したパルスを入力+5VTARGETFPGA11

トリガー性能の測定
トリガー効率trigger effiency

Threshold = 1900(DAC), PMTref4 = 1845(DAC)
1.4
1.4
1.2
1.2

1⎡
⎛ x − µ⎞⎤F = ⎢1+ erf ⎜⎟
⎥
⎝
⎠
2⎣
2σ ⎦

1.01
0.8
0.8
0.6
0.6
0.4
0.4
0.2
0.2
00

20

20

40

40

60
60

80

100
80 pulse height(mV)
100
パルス高 (mV)µ : mean thresholdσ : standard deviation (trigger noise)• 入力パルスのパルス高を変化させながらトリガー効率を測定• 誤差関数を含めた関数 F (Gaussian の積分形)でフィッテイングを行う• トリガー効率 が 0.5 となる点がトリガー閾値( μ )• トリガーノイズ は Gaussian の σ に相当する• ref 電圧や各バイアスに対するノイズの依存性を測定、回路の最適化→トリガーノイズ : ~ 3 mV (目標 ~1 mV、1 p.e. ~ 4 mV)• 測定で得られる Sigmoid 曲線の形が歪んでいる原因を探す
12

トリガー性能の測定
トリガー効率trigger effiency

Threshold = 1900(DAC), PMTref4 = 1845(DAC)
1.4
1.4
1.2
1.21⎡
⎛ x − µ⎞⎤F = ⎢1+ erf ⎜⎟⎥⎝⎠2⎣2σ ⎦

1.01
0.8
0.8
0.6
0.6
0.4
0.4
0.2
0.2002020404060608010080 pulse height(mV)
100
パルス高 (mV)µ : mean thresholdσ : standard deviation (trigger noise)• 入力パルスのパルス高を変化させながらトリガー効率を測定• 誤差関数を含めた関数 F (Gaussian の積分形)でフィッテイングを行う• トリガー効率 が 0.5 となる点がトリガー閾値( μ )• トリガーノイズ は Gaussian の σ に相当する• ref 電圧や各バイアスに対するノイズの依存性を測定、回路の最適化→トリガーノイズ : ~ 3 mV (目標 ~1 mV、1 p.e. ~ 4 mV)• 測定で得られる Sigmoid 曲線の形が歪んでいる原因を探す
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トリガー性能の測定
トリガー効率trigger effiency

Threshold = 1900(DAC), PMTref4 = 1845(DAC)
1.4
1.4
1.2
1.21⎡
⎛ x − µ⎞⎤F = ⎢1+ erf ⎜⎟
⎥⎝
⎠
2⎣
2σ ⎦

1.01
0.80.80.60.60.40.40.20.20020204040606080

10080 pulse height(mV)
100
パルス高 (mV)µ : mean thresholdσ : standard deviation (trigger noise)• 入力パルスのパルス高を変化させながらトリガー効率を測定• 誤差関数を含めた関数 F (Gaussian の積分形)でフィッテイングを行う• トリガー効率 が 0.5 となる点がトリガー閾値( μ )• トリガーノイズ は Gaussian の σ に相当する• ref 電圧や各バイアスに対するノイズの依存性を測定、回路の最適化→トリガーノイズ : ~ 3 mV (目標 ~1 mV、1 p.e. ~ 4 mV)• 測定で得られる Sigmoid 曲線の形が歪んでいる原因を探す14

歪みの原因の予想、測定方法
Sampling Arrayinput
32 cell block 32 cell block

1GSa/s でサンプリングしている場合、サンプリングアレイは (32 × 2) ns 周期で動作する→ サンプリングに同期してノイズが発

サンプリング回路

First Amp

生している可能性がある

トリガー回路Sum Ampcomparator
FPGA

ref
thresholdtrigger signal

Vpedstal15

歪みの原因の予想、測定方法
Sampling Arrayinput
32 cell block 32 cell block

64 ns のサンプリング周期に同期してトリガーさせ、サンプリングの位相を固定したトリガーノイズの測定を行う

サンプリング回路

First Amp

トリガー回路Sum Ampcomparator
FPGA

ref
thresholdtrigger signal

Vpedstal
16

サンプリング位相によるトリガー性能の差
Delay
Delay 26 ns26 ns

Delay 0 ns

trigger effiency

トリガー効率trigger effiency

Delay0 ns
Delay 0 ns

1.4
1.4
1.2
1.2

Delay 26 ns

1.4
1.4
1.2
1.2

1.01

1.01

0.8
0.8

0.8
0.8

0.6
0.6

0.6
0.6

0.4
0.4

0.4
0.4

0.2
0.2

0.2
0.2

0055

60

60

65

65

70

70

75

75

80

80

85

85

トリガー閾値: ~ 78.6 mV
トリガーノイズ: ~ 1.2 mV

90

95
100
90 pulse height(mV)
95100

パルス高 (mV)

0055

60

60

65

65

70

70

75

75

80

80

8585

トリガー閾値: ~ 66.2 mV

90

95

10090 pulse height(mV)
95100

パルス高(mV)
パルス高パルス高 (mV)(mV)

トリガーノイズ: ~ 3.7 mV• サンプリングの位相によってトリガー閾値がずれ、トリガーノイズの大きさも変化する• 位相によってはトリガーノイズは十分小さい17トリガーノイズ(mV)Standard Deviation σ (mV)Mean Threshold µ (mV)
トリガー閾値(mV)

トリガー性能の周期性
8080
7575
7070

55
4.5

44
3.5

33
2.5

226565

1.5

6060

110

0.5
002020404060606480

80

100100120

140120delay (ns)14002020

Delay (ns)40406060

80

80

100

100

64120

140

120delay (ns)140
Delay (ns)
Delay (ns)• トリガー性能は 64 ns の周期で変化している→ サンプリングアレイ の動作がトリガーノイズに影響している• 位相を固定しない場合の Sigmoid 曲線は、これらの重ね合わせと考えられる
18まとめ、今後• TARGET 5 のトリガー性能を測定• 回路の設定を最適化することにより、トリガーノイズは 3mV 程にすることが可能 (1 p.e. ~ 4 mV)• サンプリングアレイの動作がトリガー性能に影響しているという予想が正しいことを確認• TERGET 7 では、トリガー回路の層をメタルで覆い、サンプリング回路の干渉を防ぐよう設計• TARGET 7 でトリガー性能が改善されているか、測定を行う→ 現在、測定のセットアップ中19