[論文レビュー] A method to adjust the impedance of the transmission line in a Multi-Strip Multi-Gap Resistive Plate Counter

D. Bartoş, M. Petriş+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2017

Electrical and Bioimpedance Tomography被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、マルチストリップマルチギャップ抵抗性板カウンタ（MSMGRPC）における伝送線路インピーダンスを、読み出しストリップ幅を調整することで独立して調整する革新的な手法を提示する。この手法により、検出器の分解能を損なわずにフロントエンド電子回路へのインピーダンスマッチングを実現できる。7.2 mmピッチ、1.32 mmの読み出しストリップを有するプロトタイプは、50 Ωの特性インピーダンスを達成し、ラボテストで信号のリフレクションが観測されなかったことで、その設計がCBM（FAIR）のようなトリガーレス高レート実験に適していることが検証された。

ABSTRACT

While in a triggered experiment the matching of the RPC transmission line impedance with the one of the front-end electronics is less critical, for a trigger-less data recording this becomes mandatory. As expected, impedance matching is not straightforward when other requirements in terms of time and position resolutions, efficiency and granularity, have to be fulfilled in the same time. A method and the very first results obtained with a RPC prototype built based on it, presented in this paper, show that the impedance matching, independent of its granularity, can be achieved using an innovative architecture of the RPC.

研究の動機と目的

• FAIRのCBMのようなトリガーレス・高レートRPCシステムにおいて、信号のリフレクションが性能を低下させるという課題を解決すること。
• 時間分解能（80 ps未満）、効率（95％以上）、空間分解能（ストリップ間400 μm）を維持しつつ、インピーダンスチューニングを可能にすること。
• 高電圧（HV）ストリップ幅とは独立して、読み出しストリップ幅を変更することでインピーダンスマッチングと検出器の分解能を分離する、画期的なアーキテクチャを用いること。
• 7.2 mmピッチ、可変インピーダンスを有するプロトタイプを用いて、この手法を実験的に検証すること。
• インピーダンスマッチングの問題を解消することで、ストリップピッチを拡大（例：7.4 mm）でき、フロントエンド電子回路のチャネル数を削減できること。

提案手法

• 本手法は、50 Ω伝送線路を形成する読み出しストリップを有する2層構造の抵抗性電極を用い、そのインピーダンスを高電圧（HV）ストリップ幅とは独立して、読み出しストリップ幅を変更することでチューニングする。
• HVストリップ（5.6 mm幅）は読み出しストリップ（1.32 mm幅）の正中に配置され、信号誘導はまずHVストリップで発生し、その後読み出しストリップで行われる。
• 伝送線路インピーダンスは、FR4およびガラス層の幾何形状と誘電特性をモデル化するAPLACシミュレーションを用いて計算される。
• プロトタイプは7.2 mmピッチ、5.6 mmのHVストリップ幅、1.32 mmの読み出しストリップ幅を採用し、50 Ωの特性インピーダンスを達成した。
• 信号伝送は30 cmのツイストペアケーブル（100 Ωインピーダンス）を用い、両端に50 Ω抵抗を接続して、実際のFEE条件を模擬する。
• システムは差動信号読み出しを採用：飛行時間は両端時間の平均値から算出され、位置は時間差と電荷共有から得られる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MSMGRPCにおける伝送線路インピーダンスを、検出器の空間的分解能とは独立してチューニング可能か？
• RQ2 読み出しストリップ幅の調整のみで、50 Ωまたは100 Ωのフロントエンド電子回路にマッチする特性インピーダンスを正確に制御可能か？
• RQ3 提案されたアーキテクチャは、80 ps未満の時間分解能と95％以上の効率を維持しつつ、インピーダンスマッチングを実現可能か？
• RQ4 CBMのようなトリガーレスデータ取得に求められる高レート条件下でも、インピーダンスマッチングが安定しているか？
• RQ5 この手法により、インピーダンスマッチングの問題を解消することで、ストリップピッチを拡大でき、フロントエンド電子回路のチャネル数を削減可能か？

主な発見

• 7.2 mmピッチ、1.32 mmの読み出しストリップを有するプロトタイプは、50 Ωの特性インピーダンスを達成し、50 Ωのフロントエンド電子回路に適合する目標を満たした。
• 宇宙線測定では信号のリフレクションが観測されず、コネネクタおよび30 cmのツイストペアケーブル全体でのインピーダンスマッチングが成功したことが示された。
• 誘導信号の立ち上がり時間は1 ns未満であり、信号幅も1 ns未満であった。これは、歪みのない高速な信号伝搬を示している。
• 時間分解能は約50 psで測定され、CBMの要件（80 ps未満）を満たした。
• 局所的な粒子フラックスが10^5 個/(cm²·s)に達しても、効率は95％以上を維持し、高レート条件下での優れた性能を示した。
• 本手法により、2.54 mmピッチの狭いストリップソリューションと比較して、フロントエンド電子回路のチャネル数を3倍まで削減可能となった。これは、インピーダンスマッチングの問題が解消されたことで、より大きなストリップピッチを採用可能になったためである。