[논문 리뷰] FPGA Based Pico-second Time Measurement System for a DIRC-like TOF Detector

Qiang Cao, Xin Li외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 07.

Atomic and Subatomic Physics Research인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 CERN에서 실시한 빔 테스트에서 15.0 ps의 공진기 시간 해상도를 달성한, DIRC 유사 시간도래(ToF) 검출기용 FPGA 기반 피코초 시간 측정 시스템을 제시한다. 이 시스템은 고속 마이크로채널판 PMT와 차동 증폭, 이중 임계치 식별, 시간-디지털 변환을 포함한 맞춤형 프론트엔드 전자회로를 사용한다. 이는 높은 시간 성능, 소형화 및 대규모 입자물리 응용 분야에서의 확장 가능성을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고에너지 물리학에서 시간도래 검출기용 소형, 비용 효율적이고 고채널 용량의 프론트엔드 전자회로 시스템을 개발하는 것.
• 프로토타입 DIRC 유사 ToF 검출기에서 FPGA 기반 타이밍 전자회로를 사용해 10 ps 이하의 공진기 시간 해상도를 달성하는 것.
• CERN H4 뮤온 빔 라인을 활용해 실제 빔 환경에서 시스템 성능을 검증하는 것.
• 단기 사각지대가 최소화되고 고다중채널 용량을 갖춘 대규모 고정밀도 ToF 검출기에서 FPGA 기반 전자회로의 실현 가능성을 입증하는 것.

제안 방법

• 광자 탐지에 대해 고속 마이크로채널판 PMT(MCP-PMT)에 융합된 실리카 레이디에이터를 사용한다.
• 프로그래머블 차동 증폭기가 PMT 신호를 최적의 신호 대 잡음비를 확보하기 위해 형상화한다.
• 시간 보정을 줄이고 시간 해상도를 향상시키기 위해 이중 임계치 차동 디스크리미네이터를 사용한다.
• FPGA 내장 시간-디지털 변환기(TDC)가 피코초 해상도로 타임스탬프를 확보한다.
• 동일한 MCP-PMT 신호를 처리하기 위해 두 개의 동일한 전자회로 체인을 사용하여 공진기 시간 측정을 가능하게 한다.
• 전체 프론트엔드 전자회로 체인이 단일 FPGA에 통합되어 소형 통합과 고채널 밀도를 실현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FPGA 기반 프론트엔드 전자회로 시스템이 DIRC 유사 ToF 검출기에서 10 ps 이하의 공진기 시간 해상도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 완전한 검출기 프로토타입의 내재된 시간 성능이 순수 전자회로 성능과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 실제 고에너지 물리 환경에서 빔 유도 효과가 시간 해상도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 단기 사각지대가 최소화되고 고다중채널 용량을 갖추면서도 높은 시간 성능을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 순수 전자회로 체인이 5.6 ps의 공진기 시간 해상도(CTR)를 달성하여 시스템의 내재된 시간 성능 능력을 입증했다.
• 150 GeV/c 뮤온을 사용한 CERN 빔 테스트에서, 시간-암페리처 보정 없이도 전체 검출기 프로토타입의 내재 CTR가 15.0 ps에 도달했다.
• 이 시스템은 고에너지 물리 스펙트로미터용 대규모 ToF 검출기에서 우수한 시간 성능을 보였다.
• FPGA 기반 설계는 소형, 비용 효율적이며, 짧은 측정 사각지대와 함께 고다중채널 용량을 지원한다.
• 결과는 향후 입자물리 실험에서 고정밀도, 확장 가능한 ToF 검출기용 FPGA 기반 전자회로의 실현 가능성을 확인한다.