The Research and Development of New Electronics Systems and Testing on the JNE-1ton Prototype Detector

Resumo Técnico: Desenvolvimento e Teste do Sistema Eletrônico PDS1500 para o Experimento de Neutrinos de Jinping

Definição do Problema
O Experimento de Neutrinos de Jinping (JNE), localizado no Laboratório Subterrâneo II de China Jinping (CJLL-II), é um observatório de neutrinos de próxima geração projetado para detectar neutrinos solares, geoneutrinos e neutrinos de supernovas com alta precisão. O experimento utiliza uma esfera acrílica de 10 metros contendo 500 toneladas de cintilador líquido lento e aproximadamente 3.000 tubos fotomultiplicadores (PMTs). Diferente de experimentos anteriores que dependiam de modos de leitura de carga-tempo, o JNE requer a aquisição de forma de onda completa para separar a radiação Cherenkov da luz de cintilação isotrópica, permitindo a reconstrução precisa do vértice e a medição de energia.

Este requisito impõe desafios técnicos severos à eletrônica de leitura: o sistema deve digitalizar simultaneamente formas de onda analógicas de milhares de PMTs dentro de uma janela de aproximadamente 1000 ns, possuir alta largura de banda analógica, suportar altas taxas de gatilho (trigger), minimizar atrasos de processamento e manter uma taxa de transferência de dados contínua. Além disso, o sistema deve alcançar sincronização de tempo sub-nanossegundo em todos os canais para garantir a reconstrução precisa de eventos na presença de fortes fundos radioativos naturais. Sistemas comerciais existentes, como o CAEN V1751, enfrentam limitações de perda de dados, estabilidade de linha de base e deriva de tempo (timing drift) que podem não satisfazer plenamente os rigorosos requisitos do detector de escala total do JNE.

Metodologia
Para enfrentar esses desafios, os autores desenvolveram um novo sistema de leitura de alto desempenho, o PDS1500, e o validaram utilizando o detector protótipo JNE-1ton atualizado (60 PMTs). A metodologia envolveu:

1. Design do Sistema: O PDS1500 é um sistema de caixa única com 64 canais, composto por:

   • Oito Placas de Digitalização de Forma de Onda WRX602: Cada placa possui 8 canais de amostragem de 1 GSa/s com resolução física de 14 bits, utilizando FPGAs Xilinx Kintex UltraScale e placas mezzanine de ADC ADAM103.
   • Uma Placa de Controle de Gatilho e Tempo TTC308: Agrega contagens acima do limiar para gerar gatilhos globais e distribui um clock síncrono de 50 MHz.
   • Um Backplane de Alta Velocidade BP5U10S: Facilita a transmissão de dados e a distribuição de energia.
   • Uma Placa de Aquisição RDX051 PCIe: Gerencia o buffering de dados e a transmissão via uma interface PCIe Gen3 de 8 vias (largura de banda de 64 Gbps).
   • Arquitetura de Clock: Uma arquitetura de distribuição de clock determinística de atraso zero usando limpadores de jitter LMK04832 e buffers LMK01801 para garantir o alinhamento de fase em todos os canais.

2. Validação Experimental: O PDS1500 foi implantado juntamente com o sistema comercial CAEN V1751 no protótipo JNE-1ton. Os sinais dos PMTs foram divididos e alimentados em ambos os sistemas simultaneamente para permitir uma comparação direta e síncrona. O protótipo foi operado em um ambiente de cintilador líquido lento.

3. Métricas de Desempenho: O estudo avaliou seis parâmetros principais:

   • Taxa de perda de dados (usando gatilhos externos).
   • Estabilidade da linha de base (níveis de ruído).
   • Fidelidade da forma de onda (usando análise de $\chi^2$ de formas de onda alinhadas).
   • Deriva de tempo (medida através de cinco reinicializações de ciclo de energia usando calibração por LED).
   • Limiar de energia (determinado pelo abaixamento dos limiares de gatilho).
   • Resolução de energia (medida usando uma fonte de calibração AmBe).

Principais Contribuições

• Desenvolvimento do PDS1500: A criação de um sistema eletrônico modular customizado apresentando amostragem de 1 GSa/s, resolução de 14 bits e capacidade de throughput de 64 Gbps.
• Distribuição de Clock Determinística: Implementação de uma arquitetia de clock de atraso zero que elimina a ambiguidade de fase e os problemas de deriva térmica comuns em sistemas comerciais em cascata (daisy-chained), garantindo consistência absoluta de gatilho.
• Benchmarking Abrangente: Uma comparação rigorosa lado a lado do novo sistema contra o padrão estabelecido CAEN V1751 em um ambiente experimental real, fornecendo dados empíricos sobre ganhos de desempenho.

Resultos
Os testes demonstraram que o sistema PDS1500 atende ou excede os requisitos técnicos para o experimento JNE:

• Integridade de Dados: O sistema alcançou zero perda de dados dentro da janela de aquisição de 1000 ns, superando o CAEN V1751, que exibiu um tempo morto (dead time) de 49 ns.
• Estabilidade da Linha de Base: O ruído de linha de base do PDS1500 foi reduzido para aproximadamente um terço do nível do CAEN V1751, melhorando significativamente a precisão da medição e reduzindo a instabilidade do gatilho.
• Fidelidade da Forma de Onda: A análise de $\chi^2$ confirmou que as formas de onda capturadas pelo PDS1500 são consistentes com as do CAEN V1751, sendo que a maior resolução de 14 bits fornece mais detalhes à forma de onda.
• Deriva de Tempo: Através de cinco reinicializações de ciclo de energia, o PDS1500 exibiu uma deriva de clock de apenas 0,3 ns. Em contraste, o CAEN V1751 mostrou uma deriva de 16 ns. A deriva do PDS1500 está bem abaixo do passo de amostragem de 1 ns e da dispersão de tempo de trânsito (transit time spread) do PMT (1,8 ns).
• Limiar de Energia: O PDS1500 permitiu um limiar de detecção tão baixo quanto 0,1 MeV (comparado a ~0,5 MeV para o sistema CAEN), facilitando a detecção de neutrinos solares de baixa energia das cadeias $pp$e$^7$Be.
• Resolução de Energia: Ambos os sistemas alcançaram uma resolução de energia de aproximadamente 9% para o pico de captura de nêutrons. O estudo observa que esta resolução é limitada pelas propriedades intrínsecas do detector de 1 tonelada (rendimento de luz do cintilador e cobertura de PMT) e não pela profundidade de bits da eletrônica; portanto, a resolução de 14 bits não melhorou a resolução de energia global nesta configuração específica, mas proporcionou uma fidelidade de forma de onda superior.

Significância
O artigo conclui que o sistema eletrônico PDS1500 recém-desenvolvido satisfaz plenamente os requisitos técnicos para o futuro experimento de escala total do JNE. A arquitetura modular, o alto throughput (64 Gbps) e a escalabilidade demonstrada pelo protótipo de 64 canais fornecem uma base robusta para o detector de 3.000 canais planejado. A capacidade do sistema de minimizar a perda de dados, reduzir o ruído de linha de base e manter a estabilidade de tempo sub-nanossegundo através de ciclos de energia aborda os desafios críticos da física de neutrinos de alta precisão. Os autores afirmam que estes resultados validam coletivamente a prontidão do sistema para apoiar os objetivos científicos do Experimento de Neutrinos de Jinping, incluindo a medição precisa de neutrinos solares e a busca por decaimento duplo beta sem neutrinos.