VMM3a/SRS readout for the HYDRA time projection chamber at R$^3$B

Resumen Técnico: Lectura VMM3a/SRS para el TPC HYDRA en R3B

Planteamiento del Problema
El experimento HYDRA (HYpernuclei Decay at R3B Apparatus) en GSI/FAIR requiere un rastreador de piones dedicado para estudiar la producción de hipernúcleos mediante colisiones de iones relativistas. Este rastreador es una Cámara de Proyección Temporal (TPC) de tamaño reducido con una longitud de deriva de 300 mm, que opera dentro del interior del imán dipolo GLAD. El sistema enfrenta tres restricciones principales:

1. Capacidad de Alta Tasa: Debido a las bajas secciones eficaces de producción ($O(1 \mu b)$), el experimento opera con intensidades de haz elevadas ($O(10^6$ partículas/s), lo que requiere un sistema de lectura frontal capaz de realizar una lectura continua con un tiempo muerto mínimo (hasta tasas de disparo de MHz).
2. Restricciones Espaciales: La electrónica de lectura debe caber dentro del espacio limitado del interior del imán GLAD, directamente sobre el plano de almohadillas (pads) de la TPC, que contiene más de 5,000 almohadillas de señal (1.9 mm² cada una).
3. Sincronización: La TPC debe estar correlacionada en el tiempo con el sistema de adquisición de datos (DAQ) más amplio de R3B, el cual utiliza el protocolo White Rabbit para marcas de tiempo con precisión de nanosegundos. El sistema de lectura escalable (SRS) estándar de VMM3a carece de soporte nativo para este receptor de marca de tiempo específico.

Metodología
Los autores implementaron una arquitectura de lectura personalizada basada en el ASIC VMM3a integrado en el Sistema de Lectura Escalable (SRS). La metodología consistió en varias adaptaciones de ingeniería clave:

• Modificaciones de Hardware: Para acomodar el montaje vertical y las limitaciones de espacio dentro del imán, las placas híbridas VMM3a estándar (típicamente de ~15 mm de espesor) fueron modificadas físicamente. Se eliminaron los disipadores de calor, conectores y conectores de alimentación, reduciendo el espesor a 8.5 mm.
• Placas Adaptadoras Personalizadas: Se diseñó una PCB adaptadora multicapa para interconectar los híbridos modificados con el plano de almohadillas de la TPC. Este módulo enruta señales de 672 almohadillas hacia seis híbridos VMM por sección (un total de 48 híbridos para el detector completo). Incluye un sistema de distribución de potencia personalizado (utilizando conectores Molex externos en lugar de cables HDMI debido a la caída de tensión en distancias largas) y un sistema de amortiguación de reloj para distribuir las señales de sincronización.
• Implementación de la Sincronización: Dado que el VMM3a no puede recibir nativamente marcas de tiempo de White Rabbit, los autores implementaron el protocolo heimtime. Un módulo VULOM genera señales de heimtime y de disparo, las cuales se distribuyen mediante amortiguadores de reloj dedicados y PCBs flexibles a canales libres en los ASICs VMM3a. Esto permite que las marcas de tiempo globales sean decodificadas durante el procesamiento en línea.
• Diseño de Integridad de Señal: Las PCBs adaptadoras utilizan un diseño de Interconexión de Alta Densidad (HDI) de 8 capas con trazas de impedancia controlada, planos de tierra con costura de vías y estructuras de guía de onda coplanar para minimizar la diafonía (crosstalk) en el entorno de enrutamiento de alta densidad.

Contribuciones Clave

1. Adaptación Mecánica: Rediseño exitoso del híbrido VMM3a y desarrollo de un adaptador de placa de tarjeta y un adaptador de plano de almohadillas, permitiendo la instalación de 48 híbridos en una configuración vertical compacta dentro del imán GLAD.
2. Solución de Sincronización: Implementación de la inyección del protocolo heimtime en la cadena VMM3a/SRS, resolviendo la incompatibilidad entre la infraestructura de temporización del DAQ de R3B y el SRS sin requerir cambios de hardware en el propio ASIC.
3. Diseño de PCB Personalizado: Desarrollo de un módulo adaptador especializado que cuenta con una entrega de potencia robusta, consideraciones de gestión térmica y enrutamiento de señales de alta densidad con amortiguación de reloj integrada.

Resultados
El sistema fue validado mediante pruebas de laboratorio, simulaciones y mediciones de rayos cósmicos:

• Evaluación de Diafonía: Las simulaciones SPICE y el análisis transitorio confirmaron un alto aislamiento entre trazas. La diafonía de extremo cercano (NEXT) alcanzó un máximo de 1.3 mV, y la diafonía de extremo lejano (FEXT) se suprimió por debajo de 0.2 mV (menos del 0.1% de la señal de excitación), validando el diseño de blindaje y espaciado.
• Rendimiento de Ruido: Las mediciones de la carga de ruido equivalente (ENC) mostraron que los híbridos modificados mantienen un nivel de ruido base de aproximadamente 1,000 electrones (consistente con los módulos no modificados). Cuando se aplicó el alto voltaje de la TPC, el ENC aumentó a 5,000 electrones, lo que indica que el propio detector, y no la arquitectura de lectura modificada, es la fuente dominante de ruido.
• Sincronización Temporal: Las mediciones con rayos cósmicos utilizando una pared de centelleador plástico como disparador demostraron una correlación temporal fiable entre la TPC y el centelleador. Las trayectorias 3D reconstruidas no mostraron eventos fuera de la diagonal en el gráfico de correlación de disparo, confirmando una sincronización exitosa.
• Estabilidad Operativa: El sistema demostró un funcionamiento fiable con un rendimiento de temporización preciso (resolución de $O(1\text{ ns})$) y compatibilidad con el marco de trabajo del DAQ de R3B.

Significancia
El artículo establece el sistema SRS-VMM3a como una solución de lectura robusta y adecuada para la TPC de HYDRA. El trabajo demuestra que las lecturas de detectores gaseosos de alta densidad y alta tasa pueden adaptarse con éxito a restricciones espaciales extremas (dentro del interior de un imán) manteniendo la integridad de la señal y logrando la precisa sincronización temporal requerida para la reconstrucción de masa invariante. La arquitectura desarrollada proporciona una solución escalable para futuros experimentos de HYDRA y aplicaciones similares de TPC de alta densidad.