[論文レビュー] Electronics and DAQ for the CHIPS Experiment

D. van Eijk|arXiv (Cornell University)|May 17, 2018

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、6,400個の3インチPMTを搭載する5キロトン級の水チェレンコフ型中性子星検出器であるCHIPS中性子星検出器のための低コストでモジュラーな電子回路およびデータ取得（DAQ）システムを提示する。2種類のDAQ方式—標準PMT用にKM3NeTにインspiredされた方式と、再利用されたNEMO3-PMT用のmicroDAQ—を採用し、ホワイトラビット時刻同期、BeagleBoneを用いたイベント構築、光ファイバー伝送を実装することで、10 μsのスパイルトリガーによる効率的なデータ収集が可能となり、中性子星振動研究に適した1ナノ秒未塔の時刻精度を達成する。これは従来の検出器コストの僅か一部で実現可能である。

ABSTRACT

CHIPS (CHerenkov detectors In mine PitS ) is a novel neutrino detector concept, aimed at building megaton water-Cherenkov neutrino detectors in a flexible and cheap way, while yielding science results comparable and contributing to conventional long-baseline neutrino experiments. In the summer of 2018, a 5 kiloton proof-of-principle detector will be installed in a disused water-filled mine pit located in the NuMI neutrino beamline path in Minnesota, USA. The submerged cylindrical detector volume is 25 meters in diameter and 10 meter tall and is surrounded by light-tight liners. All inside walls are covered with PMT holding structures. CHIPS will use thousands of 3-inch PMTs to detect neutrinos interacting in the high-purity water in the detector volume. The focus of the (poster) presentation at the NuPhys2017 conference was on DAQ and electronics for the CHIPS experiment.

研究の動機と目的

• メガトン級水チェレンコフ型中性子星検出器に適した低コストでスケーラブルな電子回路およびDAQシステムの開発。
• 新規および再利用されたPMTの両方に対し、低コストでモジュラーな部品を用いて正確な時刻および信号再構築を実現。
• 従来の水チェレンコフ型検出器（1キロトンあたり200万ドル～1000万ドル）の約1/1000に当たる20万ドル/kilotonの検出器コストを実証。
• 坑内に設置されたコンactでモジュラーな検出器を用いて、中性子星振動パラメータ（δCP、θ13、θ23）の高精度測定を支援。

提案手法

• CHIPS検出器は、25メートルの直径、10メートルの高さを持つ円筒形空間の内壁に取り付けられた6,400個の3インチPMT（うち5,500個はアマダス・R12199-02、残り900個は再利用されたNEMO3-PMT）を用いる。
• 各検出器プレーンは30個のPMTからの信号を処理し、中央論理基板（CLB）が時間超過閾値（ToT）値を計算する。
• 再利用されたNEMO3-PMT用には別個のmicroDAQシステムを採用し、PMTベースと同一外形のマイクロプロセッサ基板に時間遅延バッファを統合することで、信号波形の完全な再構築を可能にする。
• 1プレーンあたり16個のPMTからのToTデータは、BeagleBoneボードに送られ、イベント構築が行われる。このボードは標準のCATケーブルを介して上位のファンアウト基板と通信する。
• 両方のDAQシステムはホワイトラビット技術を採用し、10 MHzクロックリファレンスと1秒ごとのパulses（PPS）信号を用いて、1ナノ秒未塔の精度で全検出器アレイを同期する。
• 宇宙線背景を低減するため、データ取得は10 μsのNuMIビームスパイルに制限され、すべてのデータは粗波分波 multiplexing（CWDM）を用いた光ファイバーで地上に送信される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準および再利用されたPMTを用いた中性子星検出に必要な時刻精度とダイナミックレンジを達成できる、モジュラーで低コストのDAQシステムは実現可能か？
• RQ2 異なるPMTタイプを同時に扱うために、KM3NeT方式とmicroDAQを組み合わせたハイブリッドDAQアーキテクチャの実現可能性はいかがなものか？
• RQ3 大規模で水に浸された環境下でも、ホワイトラビットベースの時刻同期がどれほど効果的に実装可能か？
• RQ4 再利用されたPMTを用いることで、データ品質や時刻分解能に悪影響を及げることなく、全体の検出器コストをどの程度削減できるか？
• RQ5 短時間10 μsのビームスパイル中に、十分なトリガ効率とデータスループットを達成でき、δCPおよび混合角の高精度測定が可能か？

主な発見

• CHIPS検出器のコンセプトは、従来の水チェレンコフ型検出器（1キロトンあたり200万ドル～1000万ドル）の約1/1000に当たる20万ドル/kilotonの予想コストを達成する。
• DAQシステムは、防水カバー内に収納された中央論理基板（CLB）を用いて、1プレーンあたり30個のPMTからのToT信号を効率的に処理し、水中環境でも信頼性を確保する。
• microDAQシステムは、PMTベースと同一外形のマイクロプロセッサ基板に時間遅延バッファを統合することで、再利用されたNEMO3-PMTの信号波形を完全に再構築可能である。
• ホワイトラビット技術は、10 MHzクロックとPPS信号を用いて1ナノ秒未塔の時刻精度を提供し、全検出器アレイに正確な同期を実現する。
• イベント構築はBeagleBoneボードで効率的に行われ、1プレーンあたり16個のPMTからのデータを集約し、標準のイーサネットケーブルを介して転送する。
• データ取得は10 μsのビームスパイルに限定され、宇宙線背景が最小限に抑えられ、すべてのデータは粗波分波多重（CWDM）を用いた光ファイバーで地上に送信される。