[論文レビュー] Clock Distributing for BaF2 Readout Electronics at CSNS-WNS

Bing He, Ping Cao+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2016

Nuclear Physics and Applications被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、CSNS-WNS施設におけるBaF2シンチレーター読み出し電子回路向けに、高精度な時 clocks 分配システムを提案する。PXIeベースの二段階ツリー型トポロジーを採用し、長距離配信には同軸ケーブル、モジュールレベルの同期には差動スターバスを用いる。システムは20 ps未塔のジタを達成し、92チャンネルの波形デジタイゼーションにおける正確なパルス形状識別を可能にし、(n,γ)截面測定を高精度で実現する。

ABSTRACT

aF2 (Barium Fluoride) detector array is designed for the measurement of (n,γ) cross section precisely at CSNS-WNS (white neutron source at China Spallation Neutron Source). It is a 4πsolid angle-shaped detector array consisting of 92 BaF2 crystal elements. To discriminate signals from BaF2 detector, pulse shape discrimination methodology is used, which is supported by waveform digitization technique. There are total 92 channels for digitizing. The precision and synchronization of clock distribution restricts the performance of waveform digitizing. In this paper, the clock prototype for BaF2 readout electronics at CSNS-WNS is introduced. It is based on PXIe platform and has a twin-stage tree topology. In the first stage, clock is distributed from the tree root to each PXIe crate synchronously through coaxial cable over long distance, while in the second stage, clock is further distributed to each electronic module through PXIe dedicated differential star bus. With the help of this topology, each tree node can fan out up to 20 clocks with 3U size. Test result shows the clock jitter is less than 20ps, which can meet the requirement of BaF2 readout electronics. Besides, this clock system has advantages of high density, simplicity, scalability and cost saving, which makes it can be used in other applications of clock distributing preciously.

研究の動機と目的

• CSNS-WNSにおけるBaF2シンチレーター検出器の92チャンネルにわたる正確かつ同期された波形デジタイゼーションを実現すること。
• パルス形状識別に向けた高チャンネル数読み出し電子回路におけるタイミングジタおよび同期制限を克服すること。
• 大規模な中性子検出器アレイに適したスケーラブルでコスト効率が良く、高密度な時 clocks 分配システムを設計すること。
• 全チャンネルで20 ps未塔のタイミング安定性を確保することで、正確な(n,γ)截面測定を支援すること。

提案手法

• 階層的な信号ルーティングを実現するため、PXIeベースの時 clocks 分配システムを二段階ツリー型トポロジーで実装する。
• 第一段階では、マスターキャスがルートから長距離にわたり同軸ケーブルを介して各PXIeクレートに分配される。
• 第二段階では、時 clocks が個々の電子モジュールに専用の差動スターバスを介してさらに分配される。
• 各ノードは3Uフォームファクタ内で最大20出力の時 clocks をサポートし、高チャンネル密度を実現する。
• ジタの低減と信号完全性の確保のため、位相ロックループとインピーダンス整合された伝送路を採用する。
• 大規模な検出器システムへの展開を考慮し、スケーラビリティ、シンプルさ、コスト効率に重点を置いた設計である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模なBaF2検出器アレイにおいて、92の同期された読み出しチャンネルにわたる20 ps未塔のジタを達成するには、どのような時 clocks 分配システムが必要か？
• RQ2 高チャンネル数システムにおいて、長距離にわたり安定的で低ジタの時 clocks 信号を確保するには、どのようなトポロジーと伝送方法が適しているか？
• RQ3 PXIeベースのアーキテクチャは、最小限のハードウェアオーバーヘッドでスケーラブルで高密度な時 clocks 分配をサポートできるか？
• RQ4 二段階ツリー型トポロジーは、従来の方法と比較して、同期性とジタ低減の点でどのように向上をもたらすか？

主な発見

• 時 clocks 分配システムは、測定されたジタが20 ps未塔であり、BaF2パルス形状識別に求められる厳しいタイミング要件を満たしている。
• 二段階ツリー型トポロジーにより、3Uサイズのモジュールを用いて最大20出力のノードで92チャンネルへの信頼性の高い時 clocks 分配が可能である。
• 標準化されたPXIe部品とモジュラー設計のおかげで、システムは高いスケーラビリティ、シンプルさ、コスト効率を示している。
• 長距離配信には同軸ケーブル、局所的配信には差動スターバスを採用することで、信号完全性と低ジタを両立している。