[논문 리뷰] SAMPIC: a readout chip for fast timing detectors in particle physics and medical imaging

C. Royon|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 16.

Radiation Therapy and Dosimetry참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

SAMPIC는 입자물리학 및 의료 영상 분야의 피코초 타이밍 응용을 위한 저비용, 16채널 읽기 회로 칩이다. 아날로그 메모리와 64단계 샘플링 시스템을 사용하여 검출기의 전체 파형을 캡처하며, 채널당 4 ps의 타이밍 해상도를 달성한다. 실적으로는 실리콘 검출기 테스트에서 30 ps의 성능을 입증했고, 향후 PET 시스템에서 10 ps 해상도 가능성이 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 입자물리학 및 의료 영상 분야의 빠른 타이밍 검출기용 저비용, 고정밀 타이밍 읽기 회로 칩 개발.
• 디크리멘터에 의존하는 전통적인 TDC의 한계를 극복하여 잡음과 해상도 저하를 유발하는 잡음 문제 해결.
• 전체 파형 캡처를 통해 오프라인 최적화를 통한 타이밍 해상도 향상과 신호 특성 분석 가능화.
• 특히 LHC 후방 물리학과 같은 고광도 응용 분야에서 처리량 향상을 위해 채널당 사각시간을 최소화.
• PET 영상과 같은 응용 분야에서 대규모 도입을 가능하게 하기 위해 채널당 비용을 약 10 유로로 감소.

제안 방법

• 각 채널당 64셀의 아날로그 메모리로 전체 아날로그 신호 형태를 샘플링하는 파형 기반 TDC 방식 사용.
• 자기 트리거 또는 외부 트리거와 같은 독립적인 트리거 모드를 구현하며, 디크리멘터는 타이밍이 아닌 트리거 용도로만 사용.
• 6 ns 간격의 그레이 카운터와 150 ps 해상도의 DLL을 사용해 샘플링 포인트에 시간 스탬프 할당.
• 샘플링 포인트 사이의 보간(선형 또는 스퍼플린)을 통해 CFD 및 상관관계와 같은 오프라인 알고리즘으로 피코초 이하의 해상도 달성.
• 디지털 변환을 위한 ADC 통합 및 USB/이더넷/광섬유 전송을 통한 데이터 전송 지원.
• 향후 버전에서 '핑퐁' 방식을 구현해 사각시간을 약 10배 감소.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전체 파형 샘플링 방식이 디크리멘터에 의한 잡음 없이 5 ps 이하의 타이밍 해상도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 SAMPIC의 타이밍 해상도가 다양한 신호 진폭과 지연 시간에서 어떻게 성능을 보이는가?
• RQ3 실제로 빠른 검출기인 실리콘 또는 다이아몬드 검출기와 연결했을 때의 타이밍 해상도는 얼마인가?
• RQ4 펌웨어 및 하드웨어 최적화(예: 핑퐁 방식)를 통해 칩의 사각시간을 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ5 10 ps 타이밍 정밀도를 통해 가짜 동시성 사건을 억제함으로써 SAMPIC이 PET에서 실시간 영상 재구성 가능성을 제공하는가?

주요 결과

• 동일한 신호에서 오프라인 상관관계 또는 CFD 알고리즘을 적용할 경우 SAMPIC는 채널당 약 4 ps의 타이밍 해상도를 달성한다.
• 다른 신호 지연 시간에서도 해상도가 일정하게 유지되며, 두 채널 간 시간 차이 측정에서 RMS 약 5 ps 수준이다.
• 최적의 타이밍 해상도(약 4 ps)를 달성하려면 신호 진폭이 450 mV 이상이어야 하며, 이 이하일 경우 성능 저하가 발생한다.
• 빠른 실리콘 검출기 테스트에서 SAMPIC는 30 ps의 시간 해상도를 달성했으며, 이는 칩의 한계가 아니라 검출기 응답에 의해 제한된 것이다.
• 칩은 낮은 노이즈(평균 1 mV RMS, 최악의 셀 기준 최대 1.5 mV)와 인접 채널 간 교차 캐리지 1% 이하의 성능을 보였다.
• 향후 버전에서는 '핑퐁' 방식과 아날로그 버퍼링을 통해 사각시간을 약 1 μs에서 약 0.1 μs로 감소시켜 더 높은 데이터 처리량 확보를 목표로 한다.