[論文レビュー] FPGA Based Pico-second Time Measurement System for a DIRC-like TOF Detector

Qiang Cao, Xin Li+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2018

Atomic and Subatomic Physics Research被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、高速なマイクロチャネルプレートPMTと、差動増幅、二値閾値識別、時間デジタル変換を備えたカスタムフロントエンド電子回路チェーンを用いた、DIRC型飛行時間（DTOF）検出器向けのFPGAベースのピコ秒時間測定システムを提示する。CERNでのビームテストにおいて、一致時間分解能が15.0 psに達し、高い時間性能、コンactな設計、大規模な素粒子物理学用途へのスケーラビリティを示した。

ABSTRACT

A prototype of DIRC-like Time-of-Flight detector (DTOF), including a pico-second time measurement electronics, is developed and tested preliminarily. The basic structure of DTOF is composed of a fused silica radiator connected to fast micro-channel plate PMTs (MCP-PMT), and readout by a dedicated FPGA (Field Programmable Gate Array) based front-end electronics. The full electronics chain consists of a programmable differential amplifier, a dual-threshold differential discriminator, and a timestamp Time-to-Digital convertor. By splitting a MCP-PMT output signal into two identical electronics chains, the coincidence time resolution (CTR) of pure electronics was measured as 5.6 ps. By the beam test in H4 (150GeV/c, Muon) at CERN, the intrinsic CTR of the whole detector prototype reaches 15.0 ps without using time-amplitude correction. The test results demonstrate that the FPGA based front-end electronics could achieve an excellent time performance for TOF detectors. It is very compact, cost effective with a high multi-channel capacity and short measurement dead time, which is very suitable for practical applications of large-scale high performance TOF detectors in particle physics spectrometer.

研究の動機と目的

• 高エネルギー物理学における飛行時間検出器向けに、コンactでコスト効率が良く、多数のチャンネルを有するフロントエンド電子回路システムを開発すること。
• FPGAベースのタイミング電子回路を用いて、10 ps未満の一致時間分解能を実現すること。
• CERN H4ミューオンビームラインを用いた実際のビーム環境で、システムの性能を検証すること。
• FPGAベースの電子回路が、短いデッドタイムを伴いながらも、大規模で高精度なTOF検出器に適用可能であることを実証すること。

提案手法

• 光子検出には、融合シリカレンズと高速マイクロチャネルプレートPMT（MCP-PMT）を組み合わせた。
• プログラマブルな差動アンプを用いて、PMT信号を最適化し、信号対雑音比を向上させる。
• 時間ウォークを低減し、時間分解能を向上させるために、二値閾値差動ディスクリミネータを採用した。
• FPGAに統合された時間デジタルコンバータ（TDC）が、ピコ秒分解能でタイムスタンプを取得する。
• 同一のMCP-PMT信号を処理する2つの同一の電子回路チェーンを用いて、一致時間測定を可能にした。
• フロントエンド電子回路チェーン全体を1つのFPGAに実装し、コンactな統合と高いチャンネル密度を実現した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FPGAベースのフロントエンド電子回路システムは、DIRC型TOF検出器で10 ps未満の一致時間分解能を達成できるか？
• RQ2 フル検出器プロトタイプの固有の時間性能は、純粋な電子回路性能と比べてどの程度か？
• RQ3 実際の高エネルギー物理学環境下で、ビーム誘発効果が時間分解能に与える影響は何か？
• RQ4 最小限のデッドタイムと高いマルチチャンネル容量を維持しながら、高い時間性能を維持できるか？

主な発見

• 純粋な電子回路チェーンは、一致時間分解能（CTR）5.6 psを達成し、システムの固有の時間性能を示した。
• CERNの150 GeV/cのミューオンビームを用いたテストで、時間振幅補正なしに、フル検出器プロトタイプの固有CTRは15.0 psに達した。
• このシステムは、高エネルギー物理学分野の大型TOF検出器向けに適した優れた時間性能を示した。
• FPGAベースの設計はコンactでコスト効率が良く、短い測定デッドタイムと高いマルチチャンネル容量を実現した。
• 結果から、将来的な素粒子物理学実験における高精度でスケーラブルなTOF検出器にFPGAベースの電子回路を適用可能であることが確認された。