[论文解读] Clock Distributing for BaF2 Readout Electronics at CSNS-WNS

Bing He, Ping Cao+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2016

Nuclear Physics and Applications被引用 3

一句话总结

本文提出了一种用于CSNS-WNS设施中BaF2闪烁体读出电子系统的高精度时钟分配系统，采用PXIe双级树形拓扑结构，通过同轴电缆实现远距离分配，通过差分星型总线实现模块级同步。该系统实现亚20 ps抖动，支持92通道波形数字化，实现精确的脉冲形状鉴别，用于精确的(n,γ)截面测量。

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.

研究动机与目标

• 在CSNS-WNS设施中，实现对92个BaF2闪烁体探测器通道的精确、同步波形数字化。
• 克服高通道数读出电子系统在脉冲形状鉴别中面临的定时抖动和同步限制。
• 设计一种可扩展、成本效益高且高密度的时钟分配系统，适用于大规模中子探测器阵列。
• 通过确保所有通道的定时稳定性低于20 ps，支持精确的(n,γ)截面测量。

提出的方法

• 采用基于PXIe的时钟分配系统，利用双级树形拓扑结构实现分层信号路由。
• 在第一级中，主时钟通过同轴电缆从根节点远距离分发至每个PXIe机箱。
• 在第二级中，时钟通过专用差分星型总线进一步分发至各个电子模块。
• 每个节点支持最多20个时钟输出，且在3U外形因子内实现，支持高通道密度。
• 系统采用锁相环和阻抗匹配传输线，以最小化抖动并确保信号完整性。
• 设计强调可扩展性、简洁性及成本效益，适用于大规模探测器系统的部署。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在大型BaF2探测器阵列中，于92个同步读出通道上实现低于20 ps的抖动？
• RQ2 何种拓扑结构和传输方式可确保在高通道数系统中远距离传输的稳定、低抖动时钟信号？
• RQ3 PXIe架构能否支持可扩展、高密度的时钟分配，且硬件开销最小化？
• RQ4 与传统方法相比，双级树形拓扑结构如何提升同步性能并降低抖动？

主要发现

• 时钟分配系统实测抖动低于20 ps，满足BaF2脉冲形状鉴别对严格定时要求。
• 双级树形拓扑结构可可靠地将时钟分发至92个通道，每个节点最多支持20个输出，使用3U尺寸模块。
• 系统因采用标准化PXIe组件和模块化设计，展现出高可扩展性、简洁性和成本效益。
• 采用同轴电缆进行远距离分配，差分星型总线进行本地分配，确保了信号完整性与低抖动。