[논문 리뷰] Clock Distributing for BaF2 Readout Electronics at CSNS-WNS

Bing He, Ping Cao외 5명|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 22.

Nuclear Physics and Applications인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 CSNS-WNS 시설의 BaF2闪烁체 독출 전자기기용 고정밀 시계 분배 시스템을 제안한다. PXIe 기반 이중단계 트리 구조를 사용하며, 장거리 분배에는 쌍선 케이블을, 모듈 수준의 동기화에는 차등 스타 버스를 활용한다. 시스템은 20 ps 이내의 잡음 수준을 달성하여 92채널의 웨이브폼 디지타이저에서 정확한 펄스 형태 구분이 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• CSNS-WNS에서 BaF2闪烁체 검출기의 92채널에 걸쳐 정밀하고 동기화된 웨이브폼 디지타이징을 가능하게 하기 위해.
• 펄스 형태 구분을 위한 고채널 수 독출 전자기기에서의 시간 지연 잡음과 동기화 제한 문제를 극복하기 위해.
• 대규모 중성자 검출기 어레이에 적합한 확장성 있고 비용 효율적이며 고밀도의 시계 분배 시스템을 설계하기 위해.
• 모든 채널에서 20 ps 이내의 시간 안정성을 확보하여 정확한 (n,γ) 단면적 측정을 지원하기 위해.

제안 방법

• 계층적 신호 루팅을 위한 이중단계 트리 구조를 갖춘 PXIe 기반 시계 분배 시스템을 구현하였다.
• 첫 번째 단계에서는 주 전원 시계가 루트에서 장거리로 쌍선 케이블을 통해 각 PXIe 크레이트로 분배된다.
• 두 번째 단계에서는 시계 신호가 전용 차등 스타 버스를 통해 개별 전자 모듈로 추가로 분배된다.
• 각 노드는 3U 형식 요소 내에서 최대 20개의 시계 출력을 지원하여 고채널 밀도를 달성한다.
• 잡음 최소화와 신호 무결성 확보를 위해 위상 잠금 루프와 임피던스 일치 전송선을 사용한다.
• 확장성, 단순성, 비용 효율성을 고려하여 대규모 검출기 시스템에 구현 가능한 설계를 중시한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대규모 BaF2 검출기 어레이에서 92개의 동기화 독출 채널에 걸쳐 20 ps 이내의 잡음 수준을 달성할 수 있는 시계 분배 시스템의 설계 방법은 무엇인가?
• RQ2 고채널 수 시스템에서 장거리 전송 시 안정적이고 낮은 잡음 수준의 시계 신호를 보장하기 위해 어떤 구조와 전송 방식이 필요한가?
• RQ3 PXIe 기반 아키텍처가 최소한의 하드웨어 오버헤드로 확장 가능하고 고밀도의 시계 분배를 지원할 수 있는가?
• RQ4 이중단계 트리 구조는 기존 방법에 비해 동기화 성능과 잡음 수준을 어떻게 향상시키는가?

주요 결과

• 시계 분배 시스템은 측정된 잡음 수준이 20 ps 이내로, BaF2 펄스 형태 구분에 필요한 엄격한 시간 요구 조건을 충족시켰다.
• 이중단계 트리 구조는 3U 크기 모듈을 사용하여 최대 20개의 출력을 갖는 노드를 활용해 92채널에 대한 신뢰성 있는 시계 분배를 가능하게 하였다.
• 표준화된 PXIe 구성 요소와 모듈식 설계 덕분에 시스템은 높은 확장성, 단순성, 비용 효율성을 입증하였다.
• 장거리 분배에는 쌍선 케이블을, 국소 분배에는 차등 스타 버스를 사용하여 신호 무결성과 낮은 잡음 수준을 확보하였다.