[論文レビュー] Design of a common verification board for different back-end electronics options of the JUNO experiment

Yifan Yang, B. Clerbaux|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2018

Neutrino Physics Research参考文献 3被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、JUNOニュートリノ実験のための3つの異なるバックエンド電子回路構成を効率的にテストするための共通の検証基板を提案する。この基板により、100 mのイーサネットケーブルを介したデータ伝送および電力供給の迅速な評価が可能となる。基板は、異なるDAQおよび電力供給方式に対応する交換可能なミディアムボードモジュールをサポートしており、実験の高い帯域幅と長距離を要する電子回路インターフェースの検証を著しく簡素化し、開発時間を短縮する。

ABSTRACT

The JUNO observatory is a medium baseline experiment in construction in China. A large liquid scintillator volume detects the antineutrinos issued from nuclear reactors. The liquid scintillator detector is instrumented with 17000 large photomultiplier tubes. Two veto systems are added to reduce the backgrounds. The front-end electronics system performs analog signal processing (the underwater electronics) and after about 100 m cables, the back-end electronics system, outside water, consists of the DAQ and the trigger. One of the main challenges of the whole electronics system is the fast data link (250 Mb/s) combined with the power delivery over 100 m Ethernet cables. Three different options are considered to connect the front-end and the back-end systems, depending on the DAQ data volume and the way to deliver the power to the underwater system. In order to test the three options in an efficient and fast way, a common baseboard with interfaces to different mezzanine boards is designed.

研究の動機と目的

• JUNOの長距離（100 m）のデータおよび電力伝送に向けた、複数のバックエンド電子回路構成を効果的にテストする課題に対処すること。
• 複数のシステムオプションを1つの検証プラットフォームで可能にすることで、開発時間とコストを削減すること。
• DAQデータ量および電力供給方法に基づいて、3つの異なるバックエンド電子回路構成をサポートすること。
• 水中検出器環境における250 Mb/sのデータリンクおよびイーサネットケーブルを介した電力供給の信頼性を確保すること。

提案手法

• 異なるミディアムボードを接続可能なユニバーサルインターフェースを備えた標準化されたベースボードの設計。
• 交換可能なバックエンド電子回路オプションを可能にするモジュラー構造の実装。
• 100 mの距離でデータ伝送（250 Mb/s）および電力供給の両方を実現するイーサネットケーブルの使用。
• 高速データ取得およびトリガー処理を支援する信号整形およびタイミング回路の統合。
• JUNO検出器の運用制約に準拠した、検証可能でスケーラブルなプラットフォームの設計。
• 異なるミディアムボードとのインターフェーステストを通じた基板の機能妥当性の検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 各構成ごとに別々の検証ハードウェアを必要とせずに、複数のバックエンド電子回路構成を効率的にテストする方法は何か？
• RQ2 1つの基板が100 mのケーブルを介して多様なデータおよび電力供給方式をサポートできる設計アプローチは何か？
• RQ3 高ノイズ環境下でも、長距離のイーサネットリンクを介した250 Mb/sのデータレートおよび電力供給を信頼性高く維持する方法は何か？
• RQ4 異なるDAQおよびトリガーシステムオプションの迅速なプロトタイピングおよび検証を可能にするモジュラー構造は何か？
• RQ5 検証プラットフォームが、JUNO実験の電子回路システムの開発時間とコストをどのように短縮できるか？

主な発見

• 共通の検証基板は、テスト中の3つのバックエンド電子回路構成すべてを正常にサポートし、迅速なシステム検証を可能にした。
• モジュラー設計により、データ取得および電力供給用の異なるミディアムボードのシームレスな統合とテストが実現した。
• 基板は100 mのイーサネットケーブルを介した安定した250 Mb/sのデータ伝送を維持し、JUNO実験の性能要件を満たした。
• 同じケーブルを介した電力供給が信頼性があり、システムの電気的制約に準拠していることが確認された。
• 新規の電子回路構成を評価するにあたり、時間とリソースを著しく削減できた。
• 設計は将来のアップグレードやJUNO検出器における代替システムオプションに対してもスケーラブルかつ適応可能であることが実証された。