Development of Readout Electronics for a High-Speed Event-Driven Neutron Imaging Detector Based on Timepix4

Deze paper beschrijft de ontwikkeling van een compacte, hoogpresterende uitleeselektronica voor een neutronenbeeldvormingsdetector op basis van de Timepix4-chip, die een volledige bandbreedte van 160 Gbps ondersteunt en succesvolle stabiele tests heeft doorstaan.

De kern

De "Super-Snelheidscamera" voor Neutronen: Een Verhaal over Timepix4

Stel je voor dat je een camera hebt die niet alleen foto's maakt, maar ook elke seconde telt en precies weet waar elk deeltje is. Dat is wat wetenschappers bij het Chinese Spallation Neutron Source (CSNS) proberen te bouwen. Maar er is een probleem: de nieuwe machine wordt zo krachtig, dat er zoveel deeltjes (neutronen) op de detector schieten, dat de oude camera's het niet meer aankunnen. Het is alsof je probeert regen te tellen met een emmertje, terwijl er nu een waterval op je afkomt.

Om dit op te lossen, heeft het team een nieuwe, razendsnelle "lees-elektronica" ontwikkeld. Hier is hoe het werkt, vertaald naar alledaags taal:

1. Het Probleem: Te veel deeltjes, te weinig tijd

De nieuwe machine produceert een enorme stroom neutronen. De oude systemen waren als een smalle straat in een drukke stad: er ontstond een file en data ging verloren. Ze hadden een systeem nodig dat als een super-brede snelweg kon fungeren, waar elke auto (elk neutron) zijn eigen rijbaan heeft en zonder te stoppen door kan rijden.

2. De Oplossing: De Timepix4-chip

Het hart van hun nieuwe systeem is een chip genaamd Timepix4.

• De Sensor: Dit is als een gigantisch mozaïek van 65.000 kleine tegeltjes (pixels). Elk tegeltje is zo klein dat je er duizenden op je vingernagel zou kunnen leggen.
• De Snelheid: Deze chip kan tot 2,5 miljard "hits" per seconde verwerken. Dat is alsof je in één seconde alle woorden in 500 boeken leest.
• De Uitdaging: Hoe krijg je al die informatie eruit? De chip heeft 16 "uitgangen" (data-kabels). Als je ze allemaal tegelijk gebruikt, heb je een data-stroom nodig die 160 gigabit per seconde is. Dat is alsof je in één seconde de hele inhoud van Netflix downloadt, maar dan 100 keer sneller.

3. De Hardware: Een Compacte Krachtpatser

Het team heeft een bordje (printplaat) ontworpen dat niet groter is dan een klein broodje (8 bij 30 cm).

• Het Brein: In het midden zit een ZYNQ-chip. Dit is een slimme hybride: het heeft een computer (CPU) voor het besturen en een FPGA (een programmeerbare logica) voor het snelle dataverwerken. Het is alsof je een bestuurskantoor en een super-snel assemblageband in één kastje hebt.
• Koeling: Omdat deze chip zo hard werkt, wordt hij heet. Ze hebben een speciale koeler (een TEC) onder het bordje geplakt, net als een airco in een auto, om te voorkomen dat de chip "oververhit" raakt.
• Geen Stralingsprobleem: Gelukkig hoeft deze elektronica niet tegen straling te kunnen. De neutronen worden eerst omgezet in zichtbaar licht door een scherm, en die spiegels sturen het licht naar de elektronica. De elektronica ziet dus alleen "licht", geen gevaarlijke straling.

4. De Software: De Verkeersregelaar

De firmware (de software in de chip) is de verkeersregelaar van deze snelweg.

• De Buffer: Soms komt er een plotselinge storm van neutronen (een piek). De elektronica kan niet alles direct naar de computer sturen. Daarom hebben ze een enorme "wachtkamer" (het SODIMM-geheugen, tot 32 GB) gebouwd.
• Het Systeem: Tijdens de piek slaat het systeem de data tijdelijk op in deze wachtkamer. Zodra de storm voorbij is, wordt de data in rustig tempo naar de computer gestuurd. Dit zorgt ervoor dat er nooit een auto (data) in de file staat.

5. De Testen: Van Regenboog tot Vis

Hoe weten ze of het werkt? Ze hebben drie belangrijke tests gedaan:

1. De Snelheidstest: Ze stuurden een testsignaal door de 16 kabels. Bij de helft van de maximale snelheid (5,12 Gbps) was er geen enkele fout. Het was alsof je 16 auto's tegelijk over een racebaan laat rijden zonder dat er ook maar één band lek raakt.
2. De Afstelling (Equalization): Nieuwe chips hebben soms kleine variaties; sommige pixels zijn iets gevoeliger dan andere. Het team heeft een proces ontwikkeld om dit te "kalibreren". Voorheen varieerde de gevoeligheid met 500 eenheden, nu is het verschil kleiner dan 50. Het is alsof je een orkest instemt zodat alle instrumenten even hard spelen.
3. De X-ray Foto: Ze maakten een foto van een kleine vis. Het resultaat? Je kon de botten van de vis heel duidelijk zien. Dit bewijst dat het systeem niet alleen snel is, maar ook scherpe, betrouwbare beelden maakt.

Conclusie

Kortom, het team heeft een compacte, razendsnelle computer gebouwd die als een super-snelheidscamera fungeert voor neutronen. Het kan de enorme stroom deeltjes van de nieuwe Chinese machine aanpakken zonder data te verliezen. Nu de "proefversie" werkt, kunnen ze deze installeren om de binnenkant van materialen te onderzoeken op een manier die voorheen onmogelijk was. Het is een grote stap voorwaarts in het begrijpen van de wereld om ons heen, één neutron per keer.

Technische samenvatting

Hier is een gedetailleerde technische samenvatting van het artikel in het Nederlands:

Titel: Ontwikkeling van uitleselektronica voor een hoog-snelheid, gebeurtenis-gedreven neutronenbeeldvormingsdetector gebaseerd op Timepix4

1. Het Probleem

Met de invoering van Fase II van de Chinese Spallation Neutron Source (CSNS) zal het protonenbundelvermogen toenemen, wat leidt tot een aanzienlijke stijging in de intensiteit van gepulste neutronenbundels. De bestaande detectorsystemen, zoals de huidige TPX3Cam-gebaseerde systemen, kunnen deze verhoogde gebeurtenissnelheid (event-rate) en de vereiste energie-oplossende beeldvorming niet langer aan.
Specifiek zijn er twee uitdagingen:

• Bandbreedte: Er is een uitlessysteem nodig dat de volledige bandbreedte van de nieuwe Timepix4-chip (160 Gbps) kan verwerken.
• Compatibiliteit en Formaat: Bestaande systemen (zoals SPIDR4 van NIKHEF) zijn niet volledig compatibel met het bestaande detectoropzet van CSNS en vereisen vaak extra hardware voor volledige bandbreedte. Daarnaast zijn er strenge ruimtelijke beperkingen (maximaal 8 cm × 30 cm) voor de installatie van de elektronica nabij de detector.

2. Methodologie

Het team heeft een hoog-presterend, compact uitlessysteem ontwikkeld dat specifiek is ontworpen rondom de Timepix4 ASIC. De aanpak omvatte drie hoofdzakelijke componenten:

• Hardware-ontwerp:

  • Het systeem bestaat uit twee modules: een Timepix4-chipboard en een digitale uitleesboard, verbonden via een aangepaste FMC-interface.
  • De kern van de digitale board is een ZYNQ-MPSOC (XCZU15EG) van Xilinx, die een ARM-CPU (voor Linux-besturing) en een FPGA (voor dataprocessing) combineert.
  • De elektronica is niet stralingshard gemaakt omdat deze alleen zichtbaar licht detecteert (geen directe neutronen) en is afgeschermd met boorhoudende materialen.
  • Thermisch beheer is cruciaal; er is een thermoelektrische koeler (TEC) geïntegreerd om de sensor-temperatuur stabiel te houden en lekstroom te minimaliseren.
  • Het systeem beschikt over een SODIMM DDR4-geheugeninterface (tot 32 GB) voor tijdelijke opslag van data tijdens piekmomenten.

• Firmware-ontwerp:

  • De dataflow gebruikt het AXI-Stream-protocol voor het verwerken van 16 parallelle kanalen.
  • Een multi-tier caching-architectuur (FIFO's en extern SODIMM-geheugen) zorgt ervoor dat data kan worden gebufferd wanneer de invoerbandbreedte de realtime uitlescapaciteit (40 Gbps) overschrijdt.
  • Besturingscommando's worden via TCP verzonden voor betrouwbaarheid, terwijl experimentele data via UDP wordt gestreamd voor efficiëntie.

• Testen en Kalibratie:

  • Er werden PRBS-31-tests uitgevoerd op de Gigabit Wireline Transmitter (GWT) links.
  • Een equalisatieproces werd toegepast om de variatie in pixeldrempels te corrigeren door gebruik te maken van de 32 lokale DAC-codes per pixel.
  • Functionele validatie vond plaats via X-ray experimenten.

3. Belangrijkste Bijdragen

• Compacte, Volledige Bandbreedte Oplossing: Het eerste systeem dat in staat is om de volledige 160 Gbps bandbreedte van een enkele Timepix4-chip te verwerken binnen een zeer compact formaat (8 cm × 30 cm), gebruikmakend van slechts één ZYNQ-MPSOC-chip.
• Hoge Snelheid Data-overdracht: Succesvolle implementatie van 16 data-kanalen die stabiel werken op 5,12 Gbps (half van de theoretische maximum van 10,24 Gbps) met een foutloze verbinding.
• Geavanceerde Data-Buffering: Integratie van een hoge-capaciteit SODIMM-interface (tot 32 GB) die het systeem in staat stelt om pieken in de neutronenflux te bufferen en data later efficiënt uit te lezen via een 40 Gbps QSFP+ interface.

4. Resultaten

• Linkkwaliteit: Bij tests op 5,12 Gbps werd geen enkele fout gedetecteerd (Bit Error Rate < 10⁻¹⁴). Bij tests op de maximale snelheid van 10,24 Gbps werden BIT-fouten waargenomen (BER tussen 10⁻⁵ en 10⁻⁸), wat waarschijnlijk te wijten is aan parasitaire effecten van wire-bonding; dit wordt nog onderzocht.
• Equalisatie: Na het equalisatieproces daalde de standaardafwijking van de pixel-drempels van ongeveer 500 e⁻ naar minder dan 50 e⁻. Slechts drie pixels moesten worden gemaskeerd als uitschieters.
• X-ray Validatie: Experimenten met een X-ray bron (100 kV) en een visje als monster leverden duidelijke beelden op waarbij de botstructuur scherp zichtbaar was. Dit bevestigt dat het systeem functioneel is en de juiste beeldkwaliteit levert.

5. Betekenis en Toekomst

De ontwikkeling van deze elektronica is een kritieke stap voor de upgrade van de CSNS-neutronenbeeldvormingsinstallatie. Het systeem maakt het mogelijk om de verhoogde flux van gepulste neutronenbundels in Fase II te verwerken zonder dataverlies, wat essentieel is voor geavanceerde materiaalanalyse en spanningsmetingen in kristalstructuren.
De huidige resultaten tonen aan dat het systeem klaar is voor verdere tests. In de toekomst zal de elektronica worden geïnstalleerd op de energie-oplossende neutronenbeeldvormingsdetector om daadwerkelijke neutronenbeeldvormingsexperimenten uit te voeren.