CTA大口径望遠鏡データ収集システムの開発
増田周, 窪秀利, 今野裕介, 齋藤隆之, 谷川俊介, 畑中謙一郎(京都大学), 石尾一馬, 大岡秀行, 手嶋政廣, 中嶋大輔, DanielaHadasch, 林田将明, Daniel Mazin (東京大学), 郡司修一, 武田淳希, 中森健之(山形大学), 折戸玲子(徳島大学), 片桐秀明(茨城大学), 田中真伸(KEK), 猪目祐介, 山本常夏 (甲南大学), 他CTA-Japan Consortium, 池野正弘, 内田智久(KEK, Open-It)
CTA (Cherenkov Telescope Array) 計画は北・南半球の両サイトに合計約 100 台の望遠鏡を建設し、20 GeV–100 TeV 以上のガンマ線を従来よりも 10 倍高い感度で全天観測する、29 カ国参加の国際共同プロジェクトである。 我々は 23 m 大口径望遠鏡 (LST) の焦点面カメラに搭載する、光検出器信号読み出し回路を開発した。チェレンコフ望遠鏡は、大気入射時にガンマ線が形成する電磁カスケードシャワーを大気チェレンコフ光で撮像する。しかし LST が感度を持つ数十 GeVのエネルギー帯では空気シャワーから到来するチェレンコフ光子数が少なく、星の光等の夜光光子との判別が難しい。我々の読み出し基板は低消費電力のアナログメモリASIC「DRS4」を採用することで、7 本の光電子増倍管 (PMT) からの信号波形を同時に GHz でサンプリングし、シャワー光子と夜光光子の分離を可能にした。さらに LST は低エネルギー閾値を目指すため、平均 15 kHz の非常に高いトリガーレートが見込まれ、望遠鏡一台あたり平均 40 Gbps の超高速転送が必要になる。 我々はこの要求に耐えるデータ収集システムを構築した。本講演ではLST 1 号機データ収集システムの概要・性能について報告する。

1. CTA 大口径望遠鏡 (LST)
読み出し回路・DAQへの要求仕様

焦点面カメラ強力な夜光BG除去能力

約 200 MHz/pixel 夜光BG光子と ⇒ アナログメモリ“DRS4”チップ
Cherenkov光子とを分離
GHz 高速サンプリン低消費電力グ1855 PMTs/telescope からの2.64W/Channel
発熱を抑える23 m

図1：LST 完成予想図

広いダイナミックレンジ

MSTのレンジとのオーバーラップ ⇒ ゲインの異なる2系統のアンプ

平均 40 Gbps/tel の超高速転送

平均 15 kHz の高トリガーレート、265 kB/camera/evt ⇒マルチスレッド化

2. 読み出し回路 Dragon Ver.5
DRS4

読み出し回路“Dragon”

PMT ×7通信、トリガー信号分配• アナログメモリ (switched capacitor• 最大 5 GHz (通常 1 GHz) sampling

35 cmと 17.5 mW/ch の低消費電力 (回路7 PMTs / cluster
プリアンプ・
1855 PMTs / telescope
全体で 2.64 W/ch)
Slow Control (HV制御等)→ 265 clusters / telescope• 33 MHzの低速でA/D変換
図2：LSTカメラに搭載される7 PMT モジュール→ 低コストGbit Ethernet

FPGAによる制御、DAQ

DRS4• 基板上の8枚のDRS4、12bit ADC、18Mbit SRAM、DACを制御
7 PMTs• Slow Control Board 上のCPLDと通 差動信号 a
信し、PMTの高圧等を制御
表• トリガーが生成されるとDRS4に保存 メインアンプされた波形の電荷情報をデジタル変換する。FPGAに実装されたSiTCP技術により、データはGbit Ethernet
デバイス(PHY)を用いて、スイッチ、カメラサーバへと転送される。

メインアンプ

レギュレータデバイス• 広ダイナミックレンジ実現のため

A/D変換

ADC

FPGA

ガー方式。メザニン回路はスペインが開発。隣接21ピクセルの信号をアナログ的に足し合わせた波形に閾値を設ける。

トリガー生成回路

図4：アナログトリガーの概念図

3. DAQ の流れ
×6

FEB× 45

FEB
FEFBEB× 4548port
Ethernet Switch

制御信号
10Gbps
SFP+…

1Gbps<1 – 2000 photoelectrons

を 当 て 、 1 Phe 信 号 波 形 をFWHM 2-3 ns で取得
1 Pheスペクトルから得られる
SN比は 5.3

High gain>300 MHzLow gain~180 MHz

図6：Dragonダイナミックレンジ(上、中)と周波数帯域(下)S/N =1 GSPSPMT Gain: 40000
FWHM: 2-3 nsmeanspe −meanped.
𝜎𝜎ped.

48portEthernet Switch

5. エミュレータを用いたDAQ試験
最大26台のPCをDragonのエミュレータとして使用し、試験したcollector を2スレッド使用することで要求性能(15 kHz)の約2倍の性能が期待できるエミュレータ 16台に 45 kHzでトリガー、10時間データ収集に成功、要求値 15 kHzで45接続での長時間データ収集が期待できる

図8：26台を上限として接続数を増やしたときの、2スレッドにおけるデータ取得レート

監視データCamera
Server（赤）collectorからリングバッファへの書き込み（緑）リングバッファからBuilderへの読み出し

観測データ
DataStore

図5：DAQ ハードウェア構成 (左)とデータ収集プログラム構成(右)マルチスレッド• collector ー TCP/IP通信でデータを取得複数スレッドで収集可• builder ー イベント結合= 5.3single photoelectron peakis clearly seen

CentralControl

48portEthernet Switch

…

…

FEB
× 45

Low gain

図7：Dragonで取得したPMTの1 Pheパルス波形(左)と1 Pheスペクトル• 低エネルギー閾値を達成するトリ×265

High gain

SRAMアナログトリガー

×1855

Gain 40000のPMTに弱いLED光

データ送信

図3：Dragon 読み出し基板と信号の流れ

High, Lowの2つのGain• 1 ch当たり5個の電流帰還型アンプを使用し広帯域化

Switchまで ±5 % 以内のリニアリティ
High gainで 300 MHz 以上の広周波数帯域(Low gainでは数十Phe以上を扱い、さらに 夜光ノイズ ≲ 電
気ノイズ で波形は崩れないため、High ほ ど 広 帯 域 は 求 め ら れ ない)

DAC

裏FEB

1 Phe 以下から 2000 Phe 以上

タイミングジッターは 1 ns 以内array)のASIC

PMT

4. Dragon Ver.5 性能評価

リングバッファ• データを一時保管し、非同期通信による到着時間のズレを吸収

図9：全リングバッファの平均レート(上段)と各リングバッファ内滞留イベント数(下段)