物理学会 2022年3⽉17⽇ 岡⼭/オンライン

CTA⼤⼝径望遠鏡⽤
波形サンプリング回路に⽤いるアナログメモリDRS4のスパイク特性
岡 知彦

阿部⽇向A, 猪⽬祐介A, 岩村由樹A, ⼤岡秀⾏A, 岡崎奈緒A, 奥村 曉B,C,折⼾玲⼦D, ⽚桐秀明E, 櫛⽥淳⼦F, 窪秀利A, 郡司修⼀G, ⼩林志鳳A, 齋藤隆之A,
櫻井駿介A, 佐々⽊寅旭H, 砂⽥裕志H, ⾼橋光成A, ⽴⽯⼤H, ⽥中真伸I, ⼿嶋政廣A,J,
寺内健太, 寺⽥幸功H, ⾨叶冬樹H, 橋⼭和明A, 中森健之G, ⻄嶋恭司F, 野上優⼈E,野崎誠也, 野⽥浩司A, Daniela HadaschA, Daniel MazinA,J, ⼭本常夏K,
吉⽥⿓⽣E, 他CTA-Japan Consortium

京⼤理

東⼤宇宙線研A，名⼤ISEEB，名⼤KMIC，徳島⼤理⼯D，茨城⼤理E，東海⼤理F，⼭形⼤理G，埼⽟⼤理H，KEK素核研I，マックスプランク物理J，甲南⼤理⼯K

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Domino Ring Sampler (DRS)☑ Switched Capacitor Arraysを⽤いたアナログメモリ

https://www.psi.ch/en/drs☑ MEG実験⽤にPSI(スイス)にて開発→ 我々が推進するCTA計画含め多くの実験で使⽤例有り

波形電荷の取得、0.2-2 nsで切り替え☑ 2007年よりV4が⽣産開始- ⾼速サンプリング: 0.7ー5 GS/s
- 1024 キャパシタ × 9チャンネル- 低消費電⼒: ≲ 40 mW/チャンネル

外部ADCへ(9 ch.)
1024 cell! 電磁雑⾳のベースラインがイベント毎に変動 [J.Sitarek+2013]! あるパターンで偽パルス信号 (スパイク現象) が起こる [開発者S.Ritt⽒より⼀部⾔及有]
⾮常に優れた性能を持つ⼀⽅、癖があり、使⽤には電磁雑⾳の⼗⼆分な理解が必要
本講演ではCTA⼤⼝径望遠鏡の運⽤において現れるスパイク事象とその対処法について報告

3

次世代γ線天⽂台CTA: ⼤⼝径望遠鏡
4台+4台 (北・南半球) からなる23m⼤⼝径の⼤気チェレンコフ望遠鏡群により、宇宙全天からの20 GeV以上 (≲ TeV) のγ線を現⾏より1桁優れた感度で観測
CTA計画ではさらに12m・4m⼝径の望遠鏡合わせ計100台の望遠鏡群となる (20 GeVー300 TeV)

γ線天体
電磁シャワー

γ-raye±© NASA, ESA & M. Kornmesser

スペイン・カナリア諸島
ラパルマ島

⼤⼝径望遠鏡初号機(2018年完成)
焦点⾯カメラγ

⼤気初号機で捉えたチェレンコフ光画像

e±チェレンコフ光

23m© CTAO & T. Inada

PMT1855本で構成
波形読み出しにDRS4を使⽤(次ページ詳細)© R. López-Coto,
LST Collaboration(⼀部改変)

2.2m× 265 modules焦点⾯カメラ読み出し回路 Dragon

4＊Open-Itとの共同開発
波形読み出しへの主な要求☑ GHzサンプリング可能であること:〜3 ns幅のチェレンコフ光、〜100 MHzで混ざる夜光背景事象を除去可能であるため☑ 低消費電⼒であること:コスト削減やカメラの安定動作のため (< 3 W/チャンネル)→ 読み出し回路にDRS4を採⽤

オペアンプで信号を増幅
1.5インチ径PMT7本/1モジュール(×265/望遠鏡1台)

チェレンコフ光DRS4 (1 GHz, 4chカスケード→記録⻑4μs)→ ADC(33MHz, 12bit)
Ethernetケーブル
を通しPCへDRS4
プリアンプ＋スロー制御

ADC

FPGA

不感時間削減のため、「Full Readout mode」ではなく、「ROI (Region of Interest) mode」 を採⽤(40 cell×1 GS/s → 40 ns波形/1イベント 読み出し)

DRS4取得データに必要な処理オフセット差引き

5[2019年春季⼤会等で共同研究者より報告]

時間補正ADC(1 ADC ~ 0.25 mV)

各セルは固有のオフセットノイズ (50ー75 mV) を持つ

セル (4096個/ch.)

Sine波回路などを⽤いて補正

dT補正

512対称スパイク補正

dT (≡ 各セルでの読み出し時間間隔)が短いほど、ノイズレベルが増加

条件を満たすと偽パルスが⾒える

29.0×dT-0.23 -10.4

ADC

冪函数を仮定し補正

50 ADC(12.5 mV)

次⾴で
詳細

ROI中のセル (40 ns)

全4⼯程はCTA標準解析ツール (https://github.com/cta-observatory/ctapipe) に組込済み6512対称スパイクとその解釈
DRS4のフォーラムに記載: https://elog.psi.ch/elogs/DRS4+Forum/697☑ DRS4の読み出し線の構造に由来☑ 制御信号線が、読み出し線上にある浮遊容量に電荷を与えることで発⽣512対称スパイクの電圧分布

capacitor
ch1[S.Nozaki, PhD 2022]

ch2In

ch3Out3 cell⽬(~2 mV)

1 cell⽬(~11 mV)

2 cell⽬(~14 mV)

ch4☑ 発⽣パターンはよく理解されている [Nozaki+2020, TAUP2019] → 解析上で除去可能
A: 前のイベントのROI最後のcellを読み出した時
B: 前のイベントのROI最後のcellと512番⽬のcellに対して対称なcellを読み出した時
ABそれぞれ3cell連続で起こる (1cell⽬: ~11 mV, 2cell: ~14 mV, 3cell: ~2 mV)☑ 発⽣確率は合計0.05%程度

7

読み出し回路の雑⾳分布
オフセット差引き

dT補正

512対称スパイク補正

LST初号機の電磁雑⾳分布① オフセット差引後③ オフセット差引＋dT補正+512対称スパイク補正後② オフセット差引＋dT補正後を施すと..

7

読み出し回路の雑⾳分布
オフセット差引き

dT補正

512対称スパイク補正

LST初号機の電磁雑⾳分布

波形を⾒ると...

① オフセット差引後③ オフセット差引＋dT補正+512対称スパイク補正後

ADC

32の倍数のセル以外を施すと..

32の倍数のセル

7.8 mV(3649番⽬/4096)② オフセット差引＋dT補正後ADC

32の倍数のセルのみ

32の倍数のセル 512対称

スパイク(補正済)(2752番⽬/4096)
ROI中のセル (40 ns)☑ 32の倍数のセルはノイズが⼤きい → 波形から新たなスパイク事象を発⾒

11 mV

8

“32の倍数”に関わる構造
32セルのセグメント毎にスイッチがあり、読まれるタイミングで繋げられる→ 32個のセルの内、最初 or 最後のセルを読み出す時にスパイクが乗る︖
OUT

全セル共通浮遊容量
前イベントの電荷が抜けるまでに~10 ms “dTカーブ”

電荷溜まり出すまでに~10 ms
セグメント毎に浮遊容量がある[Stefan Ritt⽒より提供]

ADC (dT補正後)

32の倍数のセルのdTカーブ
dTが⼤きい時に起こる

dT

Y軸へ射影

32の倍数セル& 512対称スパイク同時事象 (~10 イベント)(32の倍数セルスパイク) ~ 30%(512対称スパイク) ~ 0.05%(同時に起こる確率) ~ 0.015%
2つが独⽴事象ならば、7万中10イベント程度が期待→ コンシステント

932の倍数セルスパイク: 温度依存性
先⾏研究 [野崎⽒修博論, 2018/2022] では、dTカーブの温度依存性が指摘
ROIモード 40 cell、2 kHzのランダムトリガーを⽤いて雑⾳データを恒温槽にて取得
ADC (dT補正前)

15°C

ADC (dT補正前)

32の倍数セルのdTカーブ

25°C

35°C

☑ 温度上昇 (15→45°C) に伴い、dTカーブがより急峻に変化
ADC分布の変化 (dT補正後)
CCCC

45°C

dT

dT

ADC (dT補正後)☑ 温度上昇により、32の倍数セルスパイクの発⽣確率は増加「dTカーブ」 と 「32の倍数セルスパイク」 は何かしら関連性を持っている︖

1032の倍数セルスパイク: ROI依存性☑ スパイク波⾼値・レートが ROIサイズ (⼀度に読み出しセル数) に依存することを発⾒→ ROI>120以上でスパイクとノイズの⼭は分離できなくなるほど、波⾼値は⼩さくなる
dT = 10ー1000 ms での32の倍数セルのADC分布 (dT補正後、室温~30度で測定)
ROI:
80

ROI:
40

スパイク成分のガウシアン平均値

ROI:
100

ROI:
120

スパイク成分のガウシアン積分値

×

ROI:
160

ADC値で重み付け積分＝
ROI<120
で⼀定

0

ROIサイズ

3500

ROIサイズ

3500

ROIサイズ350☑ スパイクの波⾼値×レート (= 32の倍数セルスパイクの供給元からの電荷量) が保存︖

1132の倍数セルスパイク: セグメントdT
dTが同じにも関わらずROIサイズに依存してスパイク発⽣確率が変動→ セグメント (32セル) 毎の”dT”に依存するのでは︖
Segment dT≡ 各セグメントでの読み出し時間間隔

32の倍数セルのADC分布(dT補正後、室温・ROI=40で測定、dT>20 ms)

セグメント×128個 (キャパシタ×4096個)

...

...

...

...

...

32セル

Event
番号

...

SegmentdT

セグメントdT < 20 ms の事象を選択↓スパイク事象の除去に成功
本来30%程度の割合でスパイクが起こるところ
1000事象に対し、そのような事象は⾒られない← カット前(スパイク成分)1132の倍数セルスパイク: セグメントdT
dTが同じにも関わらずROIサイズに依存してスパイク発⽣確率が変動→ セグメント (32セル) 毎の”dT”に依存するのでは︖
Segment dT≡ 各セグメントでの読み出し時間間隔
セグメント×128個 (キャパシタ×4096個)

...

...

...

...

...

32セル

Event
番号

32の倍数セルのADC分布(dT補正後、室温・ROI=40で測定、dT>20 ms)

セグメントdT> 20msの事象...

SegmentdT

セグメントdT < 20 ms の事象を選択↓スパイク事象の除去に成功
本来30%程度の割合でスパイクが起こるところ1000事象に対し、そのような事象は⾒られない→ しかしスパイクでない事象をほとんど落としてしまっている。
セグメントdTによる事象選別は不完全

1232の倍数セルスパイク: セグメント依存性

スパイク発⽣確率(>25 ADC)

スパイク(>25 ADCの事象) 発⽣確率のセグメント間の違いを調査。
⾚: 前半 4 ch.
⻘: 後半 4 ch.

DRS4チップ
多fromamp

少少前半4 ch.
to ADC・FPGA

多多少後半4 ch.

128 セグメント (4096セル)☑ スパイクが起こりやすいセグメントと、起こりにくいセグメントがあることが判明☑ 4chカスケード読み出しを採⽤しているが、1チップ内 (前半4ch・後半4ch) で反相関のような対応関係に⾒える→ 複数のセグメントは複雑に接しあっており、スパイク発⽣条件が難解になっている︖☑ ソフトウェア解析でのスパイク除去は現段階では難しい (更なる調査が必要)

13

望遠鏡観測運⽤への影響＆まとめ☑ アナログメモリDRS4は低消費電⼒GHzサンプリングを可能にするため多くの実験で利⽤チップ内の浮遊容量に起因する偽スパイク事象が発⽣しうる☑ 既知であった512対称スパイクに加え、32の倍数セルスパイクの解釈を深めた・ セグメント(32 cell)毎に存在する浮遊容量に起因。
・ dTカーブとの関連性を発⾒。dTカーブを知ることで発⽣確率を推定可能
DRS4
Input

関連
dTカーブ

セル毎の浮遊容量

512対称スパイク(制御信号に由来)

32の倍数
セルスパイクセグメント毎の浮遊容量

Output32の倍数のセルのdTカーブ☑ 観測運⽤への影響
・ dT補正、512対称スパイクは除去可能。
・ 32の倍数セルスパイクは解析による補正は難しいが、望遠鏡運⽤におけるトリガーレート5ー10 kHzでのdTは短いので発⽣確率は無視できる。
(カメラ内温度も冷却システムにより制御できている)

ROI=40
7.5 kHz