[論文レビュー] SAMPIC: a readout chip for fast timing detectors in particle physics and medical imaging

C. Royon|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2015

Radiation Therapy and Dosimetry参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

SAMPICは、素粒子物理学および医療画像診断におけるピコ秒時間測定用途を想定した低コストで16チャンネルの読み出しチップである。アナログメモリと64段階のサンプリングシステムを用いて、検出器波形を完全にキャプチャし、1チャンネルあたり4 psの時間分解能を達成しており、シリコン検出器での実証テストで30 psの性能を示し、将来のPETシステムでは10 psの分解能が可能となる。

ABSTRACT

We describe the new fast timing readout chip SAMPIC developed in CEA Saclay and in LAL Orsay (France) as well as the results of differents tests performed using that chip.

研究の動機と目的

• 素粒子物理学および医療画像診断における高速時間測定検出器向けに、低コストで高精度な時間測定読み出しチップを開発すること。
• ディスクリミネータに依存する従来のTDCの限界を克服し、ジャッタを引き起こす要因を排除すること。
• 波形の完全な取得を可能にし、後処理による時間分解能の最適化や信号特性の特定を可能にすること。
• 特にLHCフォワード物理学のような高光度応用において、スループットを向上させるために1チャンネルあたりのデッドタイムを短縮すること。
• PET画像診断などの応用分野における大規模な展開を可能にするために、1チャンネルあたり約10ユーロのコスト削減を実現すること。

提案手法

• 各チャンネルに64セルのアナログメモリを用いて、全アナログ信号波形をサンプリングする波形ベースTDCアプローチを採用する。
• トリガーモードを独立して設定（自己トリガーや外部トリガー）し、ディスクリミネータはトリガのみに使用し、時間測定には使用しない。
• 6 nsステップのグレイカウンタと150 ps分解能のDLLを用いて、サンプリング点にタイムス탬プを割り当てる。
• サンプリング点間の補間（線形またはスプライン）を実施し、後処理アルゴリズム（CFDや相互相関）によりピコ秒未満の分解能を達成する。
• デジタル変換のためのADCを統合し、USB/イーサーネット/ファイバーオプティカルによるデータ転送をサポートする。
• 将来のバージョンでは、デッドタイムを10倍短縮するために「ピンポン」方式を実装する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 全波形サンプリングアプローチにより、ディスクリミネータ由来のジャッタがなく、5 ps未満の時間分解能を達成できるか？
• RQ2 SAMPICの時間分解能は、信号の振幅や遅延に依存してどのように変化するか？
• RQ3 SAMPICが実際の高速検出器（シリコンやダイヤモンド）と接続された場合、実現可能な時間分解能はどの程度か？
• RQ4 『ピンポン』方式などのファームウェareおよびハードウェア最適化により、チップのデッドタイムをどの程度短縮できるか？
• RQ5 10 psの時間精度により偽の一致を抑制できるため、SAMPICはPETでリアルタイム画像再構成を可能にするか？

主な発見

• 同一信号に対して後処理による相互相関やCFDアルゴリズムを適用した場合、SAMPICは1チャンネルあたり約4 psの時間分解能を達成している。
• 時間差測定において、さまざまな信号遅延に対して時間分解能が一定を保ち、2チャンネル間の時間差測定のRMSは約5 psである。
• 最良の時間分解能（約4 ps）を得るためには、信号振幅が450 mV以上である必要があり、この閾値未満では性能が劣化する。
• 高速シリコン検出器とのテストでは、SAMPICが30 psの時間分解能を達成しており、これは検出器の応答性能が制限要因である。
• チップは低ノイズ（平均1 mV RMS、最悪ケースで最大1.5 mV）であり、隣接チャンネル間のクロストークは1%未満である。
• 将来のバージョンでは、『ピンポン』方式とアナログバッファリングを導入することで、デッドタイムを約1 μsから約0.1 μsに短縮し、より高いデータスループットを実現する予定である。