백남 화이트 중성자 시설을 위한 초고정밀 T0 신호 팬아웃 시스템

본 논문은 중국 스팔터 중성자 소스(CSNS)에서 운영되는 백남(Back‑n) 화이트 중성자 실험 시설의 핵심 타이밍 인프라인 T0 신호의 장거리 전송 및 팬아웃을 위한 전자 회로 설계와 실험 검증을 다룬다. 백남 시설은 스팔터 타깃에서 방출된 중성자를 이용해 핵반응 단면 및 기타 핵데이터를 측정하는데, 중성자 에너지 계산에 필수적인 시간‑비행(ToF) 방식은 중성자 방출 시점과 검출 시점 사이의 정확한 시간 차이를 필요로 한다. 여기서 시작 시점인 T0 신호는 가속기에서 프로톤 빔이 타깃에 충돌하는 순간을 나타내며, 동시에 데이터 수집(DAQ) 시스템을 트리거하는 역할을 한다. 따라서 T0 신호의 타이밍 정밀도는 전체 실험 정확도의 결정적인 요소가 된다. 백남 시설에서는 세 종류의 T0 신호를 사용한다. 첫 번째는 RCS‑X‑T0으로, 급순환동기(RCS) kicker magnet가 개방될 때 제어 시스템이 생성하는 LVTTL 펄스이며, 펄스 폭은 1 µs~10 µs이다. 두 번째는 FCT‑T0으로, 빔 모니터링 시스템에 설치된 전류 변환 트랜스(0.5 V/A)에서 얻어지는 86 ns 폭의 펄스로, 빔 전력에 따라 진폭이 0.8 V~8 V까지 변한다. 세 번째는 Gamma‑T0으로, 콜리메이터에 배치된 BaF₂ 검출기가 프롬프트 감마를 감지해 만든 신호이다. 이들 신호는 각각 다른 전압 레벨과 파형 특성을 가지고 있어, 동일한 전송 라인에 적용하기 위해 전압 레벨 변환과 파형 정형이 필요하다. 논문은 이러한 T0 신호를 100 m 이상의 동축 케이블을 통해 두 개의 지하 실험실(ES#1, ES#2)로 전달하면서도 초고정밀을 유지하기 위한 팬아웃 보드 설계를 제안한다. 설계의 핵심은 신호 상승시간을 최소화하고 타임‑워크(time‑walk)와 jitter를 억제하는 것이다. 이를 위해 아날로그 T0 신호는 고속 비교기 LMH7220으로 디지털 LVDS 신호로 변환된다. LVDS는 차동 전송 방식으로 외부 전자기 잡음에 강하고 전송 지연 변동을 최소화한다. 변환된 LVDS 신호는 SN65LVDS104(또는 SN65LVDS105) 멀티플렉서를 통해 4채널로 팬아웃되며, 각 채널은 DS15NA101 고속 버퍼에 의해 구동된다. DS15NA101은 높은 전송 속도와 낮은 출력 임피던스를 제공해 100 m 동축 케이블에서도 신호 왜곡을 최소화한다. 전송 전에는 프리‑엠퍼시스(pre‑emphasis)와 이퀄라이징(equalizing) 기술을 적용해 케이블 손실을 보상하고 상승 가장자를 날카롭게 만든다. 시험에서는 두 가지 방법으로 성능을 검증하였다. 첫 번째는 신호 발생기에서 생성한 펄스를 입력으로 하여 100 m LMR‑240 케이블을 통과한 출력 펄스와의 전송 지연 jitter를 측정한 것이다. RCS‑X‑T0에서는 전송 지연 표준편차가 17.3 ps, FCT‑T0에서는 24.9 ps로, 모두 1 ns 이하의 TOF 해상도 요구사항에 충분히 부합한다. 두 번째는 동일 펄스를 연속적으로 발생시켜 출력 파형 전체의 jitter를 측정한 것으로, RCS‑X‑T0은 31.6 ps, FCT‑T0은 33.9 ps의 표준편차를 보였다. 이러한 결과는 팬아웃 보드가 장거리 전송에서도 초고정밀 타이밍을 유지할 수 있음을 증명한다. 논문은 또한 팬아웃 보드가 4채널을 동시에 지원함으로써 실험실 내 여러 검출기와 전자 장비에 동시 동기화를 제공하고, 향후 추가적인 신호 라인(예: 클럭, 트리거)과의 통합이나 광섬유 기반 전송으로의 전환 가능성을 제시한다. 전반적으로, 신호 전처리·전송·재생산 전 과정을 체계적으로 최적화함으로써 장거리 전송에서도 초고정밀 타이밍을 유지할 수 있음을 입증한 점이 큰 의의이며, 이는 백남 시설뿐 아니라 다른 고에너지 물리·핵물리 실험에서도 적용 가능한 기술적 토대를 제공한다.