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IACT-PMT-readout

メンバー
  • 窪秀利 (代表:京都大学)
  • 今野裕介 (京都大学)
  • 増田 周 (京都大学)
  • 齋藤隆之(京都大学)
  • 谷川俊介(京都大学)
  • 野崎 誠也(京都大学)
  • 郡司修一 (山形大学)
  • 中森健之(山形大学)
  • 石尾一馬(東京大学)
  • 田中真伸 (IPNS KEK)
  • 池野正弘 (IPNS KEK)
  • 内田智久 (IPNS KEK)
  • 青野正裕 (京都大学)卒業
  • 萩原亮太(山形大学)卒業
  • 土屋優悟(京都大学)卒業
概要

CTA(Cherenkov Telescope Array)計画のために開発したPMTの波形サンプリング回路。望遠鏡の主焦点面に取り付けられたPMTから来る波形をPSI製のDRS4chipとADCを用いることでGHzでサンプリングし、KEKで開発されたSiTCPを用いてGbit Ethernetでデータ転送を行う。それらはFPGAによってコントロールされる。

機能・特徴

PMTからの波形をSCA(Switched Capacitor Array)のASICであるDRS4を用いて最大5GHzのスピードでサンプリングできる。DRS4にデータをためることでdigitizeは比較的低速(30MHz程度)で行うことができ、この基板には12bit,65MHzのADCを採用している。また、別途プリアンプからの信号をDRS4に導くため後述するメインアンプも開発した。この基板では同時に最大8本のPMTからの波形をサンプリングでき、それらのデータは全てKEKで開発されたSiTCPプロトコルを用いてGbit Ethernetで転送される。DRS4,ADC等のコントロールやデータ転送は全てFPGAによってコントロールされる。

メインアンプ: メインアンプはPMT+プリアンプからの信号を増幅するメインアンプで、DRS4読み出し回路に直結する。2012年に作られたVer.3までは、独立した 基板として回路を製作したが、Ver.4以降からはマザーボードに吸収された。メインアンプVer.4の主な機能は、信号をHIGH_GAIN、LOW_GAIN、TRIGGERの3つに分岐する事であり、低いエネルギーレンジの信号をHIGH_GAINで10倍、高いエネルギーレンジの信号をLOW_GAINで1/3倍にしていた。それにより5000倍のダイナミックレンジを確保することを実現していた。HIGH_GAIN、LOW_GAINに使用しているICのBandwidthはそれぞれ2.3GHz、750MHzであり、全体の消費電力は470mW程度(電源:±3.3V)である。使用しているICはADA4927(2つ)、ADA4950(2つ) の4つである(回路図参照)。また2013年にはプリアンプ部が大きく変更された事から、メインアンプVer.5の開発が行われている。現在のプリアンプではLowGainとHighGainの2系統の信号が出力されるようになったために、メインアンプの役割はDRS4チップのバッファリング機能とトリガー信号の生成に特化された。バッファリング機能を強化するため、ADA4927(3つ)とADA4950(2つ)の5つのICで回路を構成する様にデザインされている。マザーボード Ver.4以降は、帯域改善のため、ADA4950の使用を止めて、全てADA4927を使用している。

基板改版履歴
  • Ver.1(マザーボード)2010年9月16日
  • Ver.2(マザーボード) 2011年3月28日
    • DRS4チップ数を8個に(High gainとLow gainの2系統×4chカスケード)。
    • トリガー用メザニンの仕様変更に伴い、メザニンとのコネクタを追加
    • バックプレーンからの電源供給用コネクタを追加
    • 高圧コネクタを削除
  • Ver.3 2011年11月18日
    • メザニンのメインアンプをマザーボードに吸収
    • Virtex-4をSpartan-6に変更(低コスト化)
    • 基板寸法を小さく
  • Ver.4 2013年12月16日
    • PMT信号入力部コネクタ変更(シングルエンドを差動入力に)
    • 中口径望遠鏡(MST)搭載予定読み出し基板との共通化(基板サイズ幅、周辺基板との接続変更、トリガーメザニン取り付けを裏面に移動)
    • バックプレーン上の電源供給系(DC/DCコンバータ)を吸収し、入力電源を12Vから24Vに変更
    • メインアンプを全てADA4927に(高帯域化)
    • Config PROM XCF32PをM25P32に
  • Ver.5 2014年12月2日 CTA-LST望遠鏡 1号機搭載用
    • PHY DP83865ディスコン予定リストに入ったため、LAN8810iに変更
    • ADC AD9222をAD9637に変更(低消費電力化)
    • DRS4 RESETn端子プルダウンを削除
    • メインアンプのADA4927を1素子パッケージから2素子パッケージにして、配線長を短く
    • 1.2Vシリーズレギュレータをスイッチングに(低消費電力化)
    • 内層の配線層、ベタ層は対称的に配置
    • レギュレータ周り、デバイス裏側のレジストを除去し、GNDベタを露出させ、放熱効率を上げる
    • DRS4 PLLフィルタ時定数修正 2015年5月21日
  • Ver.6 (進行中) CTA-LST望遠鏡 2号機搭載用
    • 仕様検討中
写真・ブロック図

読み出し回路
読み出し回路(マザーボード)ver.1

Frontendボード
メインアンプ・カード(マザーボードVer.3以降は、マザーボードに吸収)

読み出し回路ver.2
読み出し回路ver.2

読み出し回路ver.3
読み出し回路ver.3

読み出し回路ver.4 読み出し回路ver.4
読み出し回路ver.4(左:表、右:裏)

読み出し回路ver.5読み出し回路ver.5
読み出し回路ver.5(左:表、右:裏)

回路系ブロック図
回路系ブロック図

公開リソース
発表論文リスト
  1. 青野正裕,窪秀利,郡司修一,榎本良治, 奥村曉,片桐秀明,株木重人,田島宏康, 田中真伸,手嶋政廣 ,中森健之,萩原亮太, 山岡和貴, R. Paoletti J 他 CTA-Japan Consortium , 池野正弘 、内田智久、"CTA報告6:CTA読出し回路の開発," 日本物理学会 2010年秋季大会
  2. 萩原亮太、郡司修一、青野正裕,粟根悠介、梅原克典、榎本良治, 大岡秀行、奥村曉,折戸玲子、片桐秀明,株木重人,窪秀利、今野裕介、佐々木美佳、渋谷明神、田島宏康, 田中真伸,手嶋政廣 ,中森健之,日高直哉、米谷光生 他 CTA-Japan Consortium , 池野正弘 、内田智久、"CTA報告25:CTA大口径望遠鏡読出し回路の開発," 日本物理学会 2011年秋季大会 講演スライド
  3. 萩原亮太、郡司修一、青野正裕,粟根悠介、梅原克典、榎本良治, 大岡秀行、奥村曉,折戸玲子、片桐秀明,株木重人,窪秀利、今野裕介、佐々木美佳、渋谷明神、田島宏康, 田中真伸,手嶋政廣 ,中森健之,日高直哉、米谷光生 他 CTA-Japan Consortium , 池野正弘 、内田智久、"CTA報告35:CTA大口径望遠鏡読出し回路の開発," 日本物理学会 2012年春季大会 講演スライド
  4. 今野裕介,青野正裕,粟根悠介,梅原克典,榎本良治,大岡秀行,奥村曉,折戸玲子,片桐秀明,株木重人,窪秀利,郡司修一,佐々木美佳,渋谷明神,田島宏康,田中真伸,手嶋政廣,中森健之,萩原亮太,日高直哉,米谷光生,他 CTA-Japan consortium,池野正弘,内田智久,他 オープンソースコンソーシアム(Open-It),"CTA大口径望遠鏡読み出し回路の開発(2)," 日本天文学会 2012年春季大会 講演スライド
  5. 今野裕介,青野正裕,粟根悠介,梅原克典,榎本良治,大岡秀行,奥村曉,折戸玲子,片桐秀明,株木重人,窪秀利,郡司修一,佐々木美佳,渋谷明神,田島宏康,田中真伸,手嶋政廣,中森健之,萩原亮太,日高直哉,米谷光生,他 CTA-Japan consortium,池野正弘,内田智久,他 オープンソースコンソーシアム(Open-It),"CTA大口径望遠鏡計画に向けたアナログメモリによるPMT波形のGHzサンプリング回路の開発III," 日本物理学会 2012年春季大会 講演スライド
  6. 萩原亮太、郡司修一、粟根悠介、池野正弘、上野遙、内田智久、梅原克典、大岡秀行、折戸玲子、片桐秀明,株木重人,岸本哲朗、窪秀利、今野裕介、小山志勇、田島宏康, 田中真伸,手嶋政廣 ,中森健之,畑中謙一郎、山本常夏 他 CTA-Japan Consortium ,"CTA報告44:CTA大口径望遠鏡読出し回路の開発," 日本物理学会 2012年秋季大会 講演スライド
  7. 今野裕介,粟根悠介,池野正弘,上野遥,内田智久, 梅原克典,大岡秀行,折戸玲子,片桐秀明,株木重人,岸本哲朗,窪秀利,郡司修一,小山志勇,田中真伸,手嶋政廣,中森健之,萩原亮太,畑中謙一郎,山本常夏,他 CTA-Japan Consortium, "CTA大口径望遠鏡計画に向けたアナログメモリによるPMT波形のGHzサンプリング回路の開発IV", 日本物理学会 2012年秋季大会 講演スライド
  8. 畑中謙一郎, 粟根悠介, 大岡秀行, 折戸玲子, 岸本哲朗, 窪秀利, 郡司修一, 今野裕介, 手嶋政廣, 中森健之, 萩原亮太, 山本常夏, 他CTA-Japan Consortium, 池野正弘, 内田智久, 田中真伸, 他Open-It, "CTA報告55:CTA大口径望遠鏡読み出し回路の開発", 日本物理学会 2013年春季大会 講演スライド
  9. 土屋優悟,猪目祐介,大岡秀行,折戸玲子,岸本哲朗,窪秀利,郡司修一,今野裕介,鈴木ちひろ,手嶋政廣,中森健之,畑中謙一郎,増田周,山本常夏,他CTA-Japan Consortium,池野正弘,内田智久,田中真伸,他Open-It, "CTA報告61:CTA大口径望遠鏡読み出し回路の開発", 日本物理学会 2013年秋季大会 講演スライド
  10. 中森健之,畑中謙一郎,今野裕介,土屋優悟,窪秀利,鈴木ちひろ,郡司修一,猪目祐介,大岡秀行,折戸玲子,齋藤隆之,手嶋政廣,増田周,山本常夏 他 CTA-Japan Consortium,池野正弘,内田智久,田中真伸,他 オープンソースコンソーシアム(Open-It), "CTA報告70:CTA大口径望遠鏡読み出し回路・初号機搭載モデルの開発", 日本物理学会 2014年春季大会 講演スライド
  11. 土屋優悟,窪秀利,今野裕介,齋藤隆之,畑中謙一郎,増田周,郡司修一,中森健之,大岡秀行,折戸玲子,手嶋政廣,中嶋大輔,山本常夏,他 CTA-Japan Consortium,池野正弘,内田智久,田中真伸,他 オープンソースコンソーシアム "CTA 報告 81:CTA大口径望遠鏡初号機搭載読み出し回路の開発", 日本物理学会 2014年秋季大会 講演スライド
  12. 増田周,窪秀利,齋藤隆之,今野裕介,土屋優悟,畑中謙一郎,手嶋政廣,石尾一馬,大岡秀行,花畑義隆,林田将明,中嶋大輔,片桐秀明,折戸玲子,郡司修一,中森健之,山本常夏,田中真伸,他 CTA-Japan Consortium,池野正弘,内田智久 "CTA 報告91:CTA大口径望遠鏡初号機搭載読み出し回路の開発", 日本物理学会 2015年春季大会 講演スライド
  13. 2011 Master 京都大学 青野 正裕 次世代大気チェレンコフ望遠鏡計画CTAに向けた光電子増倍管の高速波形サンプリング回路の開発
  14. 2012 Master 京都大学 今野 裕介  次世代ガンマ線天文台CTAのためのアナログメモリDRS4を用いた高速波形サンプリング回路の改良
  15. 2013 Master 京都大学 畑中 謙一郎 CTA計画大口径望遠鏡初号機搭載版PMT波形信号GHzサンプリング回路の開発
  16. 2014 Master 京都大学 土屋 優悟 次世代ガンマ線天文台CTA大口径望遠鏡初号機搭載に向けたGHz波形サンプリング回路の性能評価
  17. 2016 Master 京都大学 谷川 俊介 次世代ガンマ線天文台CTA大口径望遠鏡初号機搭載用GHz波形サンプリング回路の性能評価
  18. 2016 Master 茨城大学 重中 茜 次世代ガンマ線天文台CTAにおける波形記録回路TARGETの時間応答特性の評価
  19. 2016 Master 茨城大学 Dang Viet Tan Development and Establishment of Performance Evaluation System for Light Concentrators of the Large-Sized Telescopes in the Cherenkov Telescope Array
  20. 2012 Master 茨城大学 梅原 克典 次世代TeVガンマ線天文台CTA用プリアンプの性能評価及びSiTCP を用いたガンマ線カメラ γ I(ガンマアイ) 用読み出しシステムの開発
  21. 2011 Master 茨城大学 佐々木 美佳 次世代ガンマ線天文台CTAのカメラに用いるアナログメモリDRS4チップの特性評価
  22.  
関連リンク
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