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

Sintesi Tecnica: Verso il Deploy del Primo NectarCAM

Problema e Contesto
L'Osservatorio Cherenkov Telescope Array (CTAO) è uno strumento di nuova generazione in costruzione, progettato per rilevare raggi gamma ad altissima energia (VHE) in un intervallo energetico che va da decine di GeV a centinaia di TeV. Per raggiungere tale obiettivo, il CTAO utilizza tre tipi di telescopi a immagine Cherenkov nell'aria (IACT), inclusi i Telescopi di Dimensione Media (MST) che mirano all'intervallo energetico intermedio da 0,08 a 50 TeV. La sfida specifica affrontata in questo lavoro è lo sviluppo, la caratterizzazione e la calibrazione di NectarCAM, la telecamera dedicata progettata per equipaggiare nove MST presso il sito CTAO-South. La telecamera deve operare con elevata risoluzione temporale e di carica, gestendo al contempo la gamma dinamica da 0,1 a 2000 fotoelettroni (p.e.) e minimizzando il tempo morto di lettura per garantire un'acquisizione dati efficiente.

Metodologia
NectarCAM adotta un design modulare composto da 265 moduli del piano focale (FPM), per un totale di 1855 pixel. Ogni pixel è costituito da un tubo fotomoltiplicatore (PMT) collegato a una scheda di front-end (FEB) tramite due canali di guadagno. Il cuore dell'elaborazione del segnale è il chip NECTAr3, che integra un convertitore analogico-digitale (ADC) a 12 bit e un array a condensatori commutati operante a una frequenza di campionamento di 1 GHz. Una caratteristica metodologica critica è la modalità "ping-pong" del chip NECTAr3, in cui la memoria analogica da 1024 ns è suddivisa; al verificarsi di un trigger, una metà viene congelata per la lettura di forme d'onda da 60 ns, mentre l'altra rimane attiva, riducendo significativamente il tempo morto.

La valutazione delle prestazioni è stata condotta utilizzando NectarCAM1, un modello di qualifica testato estensivamente presso il CEA/Irfu. La risoluzione temporale è stata valutata mediante due metodi complementari per determinare il tempo di massimo (ToM) degli impulsi di segnale: un adattamento gaussiano e un metodo di interpolazione utilizzando scipy.signal.find_peaks. La risoluzione di carica è stata analizzata come l'integrale dell'impulso di segnale.

Le tecniche di calibrazione sono state sviluppate all'interno del framework software nectarchain per convertire le forme d'onda grezze ($V_{raw}$) in forme d'onda calibrate ($V_{calib}$) utilizzando la relazione $V_{calib}(t) = (V_{raw}(t) - P(t)) / G \times F$. La metodologia ha coinvolto tre passaggi specifici:

1. Calibrazione del Pedestal: Sottrazione del rumore di base ($P$) causato dallo sfondo del cielo notturno e dall'elettronica, misurato forzando trigger a intervalli regolari (ad esempio 1 kHz) per mediare le forme d'onda.
2. Calibrazione del Guadagno: Determinazione del fattore di conversione ($G$) dai conteggi ADC ai fotoelettroni. Sono stati utilizzati due algoritmi: un metodo fotostatistico che analizza la variabilità di carica ad alta illuminazione e un metodo di adattamento del singolo fotoelettrone (SPE) utilizzando flasher a bassa illuminazione o un target bianco motorizzato.
3. Calibrazione Flat-Field: Correzione delle disomogeneità da pixel a pixel ($F$) utilizzando una sorgente flasher dedicata. È stato implementato un metodo innovativo che adatta una distribuzione di ampiezza gaussiana bivariata al fronte luminoso del flasher, invece di modellarlo come un'onda piana semplice, per ottenere una maggiore accuratezza.

Contributi e Risultati Chiave
Il documento presenta le metriche di prestazione e lo stato di calibrazione della prima unità NectarCAM:

• Tempo Morto: L'operazione "ping-pong" del chip NECTAr3 riduce con successo il tipico tempo morto di lettura a circa 0,7 µs.
• Risoluzione Temporale: Per un'illuminazione della telecamera superiore a 5 p.e., la radice quadrata della media quadratica (RMS) del ToM è inferiore a 1 ns per entrambi i metodi di misura, soddisfacendo i requisiti del CTAO.
• Risoluzione di Carica: La risoluzione di carica raggiunge generalmente il limite inferiore statistico imposto dalle fluttuazioni di Poisson nella produzione di fotoelettroni, eccetto che alle cariche più elevate dove gli effetti di saturazione del PMT diventano dominanti.
• Implementazione della Calibrazione: Gli autori dettagliano l'implementazione del metodo di adattamento SPE per la calibrazione del guadagno, che offre una precisione superiore rispetto al metodo fotostatistico, e l'approccio gaussiano bivariato per il flat-fielding, che descrive accuratamente il fronte luminoso fino al livello del 2%.

Significato e Prospettive
Questo lavoro stabilisce la prontezza tecnica del sistema NectarCAM per il deploy. La caratterizzazione riuscita di NectarCAM1 convalida il design modulare e le prestazioni del chip NECTAr3. Il documento delinea la cronologia di produzione per l'intera serie di nove telecamere: NectarCAM2 (la prima unità della linea di produzione) è programmata per la spedizione entro l'estate 2026 per equipaggiare un pathfinder MST presso CTAO-South, con le unità successive (NectarCAM3–9) che seguiranno nei prossimi anni. Lo sviluppo di tecniche di calibrazione robuste garantisce che la telecamera soddisferà i requisiti di sensibilità e copertura necessari per gli obiettivi scientifici del CTAO.