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

Resumo Técnico: Rumo à Implantação do Primeiro NectarCAM

Problema e Contexto
O Observatório do Array de Telescópios Cherenkov (CTAO) é um instrumento de próxima geração em construção, projetado para detectar raios gama de muito alta energia (VHE) numa faixa de energia que vai de dezenas de GeV a centenas de TeV. Para alcançar isso, o CTAO utiliza três tipos de telescópios de imagem Cherenkov em ar (IACTs), incluindo Telescópios de Tamanho Médio (MSTs) que visam a faixa de energia intermediária de 0,08–50 TeV. O desafio específico abordado neste trabalho é o desenvolvimento, a caracterização e a calibração do NectarCAM, a câmera dedicada projetada para equipar nove MSTs no sítio CTAO-South. A câmera deve operar com alta resolução temporal e de carga, ao mesmo tempo que gerencia a faixa dinâmica de 0,1–2000 fotoelétrons (p.e.) e minimiza o tempo morto de leitura para garantir uma aquisição de dados eficiente.

Metodologia
O NectarCAM emprega um design modular composto por 265 módulos do plano focal (FPMs), totalizando 1855 pixels. Cada pixel consiste num tubo fotomultiplicador (PMT) conectado a uma placa de front-end (FEB) através de dois canais de ganho. O núcleo do processamento de sinal é o chip NECTAr3, que possui um conversor analógico-digital (ADC) de 12 bits e um arranjo de capacitores comutados operando numa taxa de amostragem de 1 GHz. Uma característica metodológica crítica é o modo "ping-pong" do chip NECTAr3, onde a memória analógica de 1024 ns é dividida; após um gatilho, uma metade é congelada para a leitura de formas de onda de 60 ns, enquanto a outra permanece ativa, reduzindo significativamente o tempo morto.

A avaliação de desempenho foi conduzida utilizando o NectarCAM1, um modelo de qualificação extensivamente testado no CEA/Irfu. A resolução temporal foi avaliada usando dois métodos complementares para determinar o tempo de máximo (ToM) dos pulsos de sinal: um ajuste Gaussiano e um método de interpolação usando scipy.signal.find_peaks. A resolução de carga foi analisada como a integral do pulso de sinal.

Técnicas de calibração foram desenvolvidas dentro da estrutura de software nectarchain para converter formas de onda brutas ($V_{raw}$) em formas de onda calibradas ($V_{calib}$) usando a relação $V_{calib}(t) = (V_{raw}(t) - P(t)) / G \times F$. A metodologia envolveu três etapas específicas:

1. Calibração de Pedestal: Subtração do ruído de base ($P$) causado pelo fundo do céu noturno e eletrônica, medido forçando gatilhos em taxas regulares (por exemplo, 1 kHz) para média das formas de onda.
2. Calibração de Ganho: Determinação do fator de conversão ($G$) de contagens do ADC para fotoelétrons. Dois algoritmos foram utilizados: um método de fotostatística analisando a variabilidade de carga sob alta iluminação, e um método de ajuste de fotoelétron único (SPE) usando flashers de baixa iluminação ou um alvo branco motorizado.
3. Calibração de Campo Plano: Correção de inhomogeneidades pixel a pixel ($F$) usando uma fonte de flasher dedicada. Um método inovador foi implementado que ajusta uma distribuição de amplitude Gaussiana bivariada à frente de luz do flasher, em vez de modelá-la como uma simples onda plana, para alcançar maior precisão.

Principais Contribuições e Resultados
O artigo apresenta as métricas de desempenho e o status de calibração da primeira unidade NectarCAM:

• Tempo Morto: A operação "ping-pong" do chip NECTAr3 reduz com sucesso o tempo morto típico de leitura para aproximadamente 0,7 µs.
• Resolução Temporal: Para iluminação da câmera acima de 5 p.e., a raiz quadrada da média dos quadrados (RMS) do ToM é inferior a 1 ns para ambos os métodos de medição, satisfazendo os requisitos do CTAO.
• Resolução de Carga: A resolução de carga geralmente atinge o limite inferior estatístico imposto pelas flutuações Poissonianas na produção de fotoelétrons, exceto nas cargas mais altas, onde os efeitos de saturação do PMT tornam-se dominantes.
• Implementação de Calibração: Os autores detalham a implementação do método de ajuste SPE para calibração de ganho, que oferece maior precisão do que o método de fotostatística, e a abordagem Gaussiana bivariada para campo plano, que descreve a frente de luz com precisão até o nível de 2%.

Significado e Perspectivas
Este trabalho estabelece a prontidão técnica do sistema NectarCAM para implantação. A caracterização bem-sucedida do NectarCAM1 valida o design modular e o desempenho do chip NECTAr3. O artigo delineia o cronograma de produção para o conjunto completo de nove câmeras: o NectarCAM2 (a primeira unidade da linha de produção) está programado para envio no Verão de 2026 para equipar um MST pioneiro no CTAO-South, com as unidades subsequentes (NectarCAM3–9) seguindo nos anos seguintes. O desenvolvimento de técnicas robustas de calibração garante que a câmera atenderá aos requisitos de sensibilidade e cobertura necessários para os objetivos científicos do CTAO.