Towards the Deployment of the First NectarCAM, a Medium-Sized-Telescope Camera for the Cherenkov Telescope Array Observatory

Resumen Técnico: Hacia el Despliegue del Primer NectarCAM

Problema y Contexto
El Observatorio del Array de Telescopios Cherenkov (CTAO) es un instrumento de nueva generación en construcción diseñado para detectar rayos gamma de muy alta energía (VHE) en un rango de energía desde decenas de GeV hasta cientos de TeV. Para lograrlo, el CTAO utiliza tres tipos de telescopios de imagen Cherenkov en aire (IACT), incluidos los Telescopios de Tamaño Medio (MST), que abordan el rango de energía intermedio de 0.08–50 TeV. El desafío específico abordado en este trabajo es el desarrollo, la caracterización y la calibración de NectarCAM, la cámara dedicada diseñada para equipar nueve MST en el sitio CTAO-Sur. La cámara debe operar con alta resolución temporal y de carga, gestionando al mismo tiempo el rango dinámico de 0.1–2000 fotoelectrones (p.e.) y minimizando el tiempo muerto de lectura para garantizar una adquisición de datos eficiente.

Metodología
NectarCAM emplea un diseño modular que comprende 265 módulos del plano focal (FPM), con un total de 1855 píxeles. Cada píxel consiste en un tubo multiplicador de fotones (PMT) conectado a una placa de entrada (FEB) mediante dos canales de ganancia. El núcleo del procesamiento de señales es el chip NECTAr3, que cuenta con un convertidor analógico-digital (ADC) de 12 bits y un arreglo de condensadores conmutados que opera a una tasa de muestreo de 1 GHz. Una característica metodológica crítica es el modo "ping-pong" del chip NECTAr3, donde la memoria analógica de 1024 ns se divide; al producirse un disparo, una mitad se congela para la lectura de formas de onda de 60 ns mientras la otra permanece activa, reduciendo significativamente el tiempo muerto.

La evaluación del rendimiento se realizó utilizando NectarCAM1, un modelo de cualificación probado extensamente en el CEA/Irfu. La resolución temporal se evaluó mediante dos métodos complementarios para determinar el tiempo del máximo (ToM) de los pulsos de señal: un ajuste gaussiano y un método de interpolación utilizando scipy.signal.find_peaks. La resolución de carga se analizó como la integral del pulso de señal.

Se desarrollaron técnicas de calibración dentro del marco de software nectarchain para convertir las formas de onda crudas ($V_{raw}$) en formas de onda calibradas ($V_{calib}$) utilizando la relación $V_{calib}(t) = (V_{raw}(t) - P(t)) / G \times F$. La metodología involucró tres pasos específicos:

1. Calibración de Pedestal: Restar el ruido de base ($P$) causado por el fondo del cielo nocturno y la electrónica, medido forzando disparos a tasas regulares (por ejemplo, 1 kHz) para promediar las formas de onda.
2. Calibración de Ganancia: Determinar el factor de conversión ($G$) de cuentas del ADC a fotoelectrones. Se utilizaron dos algoritmos: un método de fotostadística que analiza la variabilidad de la carga a alta iluminación, y un método de ajuste de fotoelectrón único (SPE) utilizando flashers de baja iluminación o un objetivo blanco motorizado.
3. Calibración de Campo Plano: Corregir las inhomogeneidades entre píxeles ($F$) utilizando una fuente de flashers dedicada. Se implementó un método novedoso que ajusta una distribución de amplitud gaussiana bivariada al frente de luz del flasher, en lugar de modelarlo como una onda plana simple, para lograr una mayor precisión.

Contribuciones y Resultados Clave
El artículo presenta las métricas de rendimiento y el estado de calibración de la primera unidad NectarCAM:

• Tiempo Muerto: La operación "ping-pong" del chip NECTAr3 reduce exitosamente el tiempo muerto típico de lectura a aproximadamente 0.7 µs.
• Resolución Temporal: Para una iluminación de cámara superior a 5 p.e., la raíz cuadrática media (RMS) del ToM es menor a 1 ns para ambos métodos de medición, satisfaciendo los requisitos del CTAO.
• Resolución de Carga: La resolución de carga alcanza generalmente el límite inferior estadístico impuesto por las fluctuaciones de Poisson en la producción de fotoelectrones, excepto en las cargas más altas donde los efectos de saturación del PMT se vuelven dominantes.
• Implementación de Calibración: Los autores detallan la implementación del método de ajuste SPE para la calibración de ganancia, que ofrece mayor precisión que el método de fotostadística, y el enfoque gaussiano bivariado para la corrección de campo plano, que describe el frente de luz con precisión hasta el nivel del 2%.

Significado y Perspectivas
Este trabajo establece la preparación técnica del sistema NectarCAM para su despliegue. La caracterización exitosa de NectarCAM1 valida el diseño modular y el rendimiento del chip NECTAr3. El artículo describe la cronología de producción para el conjunto completo de nueve cámaras: NectarCAM2 (la primera unidad de la línea de producción) está programada para su envío en el verano de 2026 para equipar un MST explorador en CTAO-Sur, con las unidades subsiguientes (NectarCAM3–9) siguiendo en los próximos años. El desarrollo de técnicas de calibración robustas asegura que la cámara cumplirá con los requisitos de sensibilidad y cobertura necesarios para los objetivos científicos del CTAO.