백엔 CSNS 시간비행 측정 전자시스템 설계와 구현

초록

본 논문은 중국 스플리션 중성자원(CSNS) 백엔(Back‑n) 실험시설에서 중성자 에너지 측정을 위한 시간비행(TOF) 전자시스템을 설계·구현한 내용을 다룬다. PXIe 기반의 모듈식 구조(FDM, TCM, SCM)를 활용해 T0 신호와 검출기 신호를 고정밀 FPGA TDC로 동기화·시간계측하고, 서브나노초 수준의 TOF 정확도를 달성하였다.

상세 분석

본 연구는 CSNS의 백엔(Back‑n) 시설에서 제공되는 백색 중성자 빔의 에너지 분석을 위해, 기존의 별도 타이밍 모듈 없이 하나의 통합 전자시스템으로 TOF(Time‑of‑Flight)를 구현한 점이 가장 큰 특징이다. 시스템은 PXIe(Peripheral Component Interconnect Express eXtensions for Instrumentation) 플랫폼 위에 구축되었으며, 크게 세 가지 모듈로 구성된다. 첫 번째는 신호조건화모듈(SCM)으로, 각 검출기의 아날로그 신호를 전압 레벨 및 임피던스에 맞게 변환한다. 두 번째는 필드 디지털라이저 모듈(FDM)으로, 변환된 신호를 고속 ADC(최소 500 MS/s)로 디지털화하고, 첫 번째 샘플 시점을 ‘스톱’ 타임스탬프로 기록한다. 세 번째는 트리거·클럭 모듈(TCM)으로, 가속기와 동기화된 T0 신호(중성자 방출 시점)를 수신·동기화하고, 이를 PXIe 백플레인 버스를 통해 모든 FDM에 분배한다.

핵심 기술은 FPGA 기반 TDC(Time‑to‑Digital Converter)이다. TCM 내부에 구현된 TDC는 비동기 T0 신호와 전역 동기 클럭 사이의 위상 차이를 100 ps 이하의 해상도로 측정한다. 이렇게 얻어진 T0 타임스탬프는 전역 기준이 되어, 각 FDM에서 측정된 첫 샘플 시점과 비교된다. 또한 FDM 자체에도 TDC 로직이 탑재되어, T0 신호가 해당 FDM에 도달한 순간과 검출기 파형이 임계값을 초과하는 순간 사이의 시간 차이를 정밀히 기록한다. 이 두 단계의 시간 정보를 합산하면, ‘T0 → 검출기 신호 시작 → 임계값 초과 → 첫 샘플’ 순서의 전체 TOF를 구할 수 있다.

시스템 설계 시 고려된 주요 과제는 신호 전파 지연의 균일성, 클럭 위상 잡음 최소화, 그리고 다중 채널 동시 처리 능력이다. PXIe 백플레인은 높은 대역폭(>8 GB/s)과 낮은 레이턴시를 제공해, T0 신호를 거의 실시간으로 전파하고, 각 FDM이 독립적으로 TDC 연산을 수행하도록 한다. 또한 FPGA 내부에 구현된 위상 보정 로직과 캘리브레이션 루틴을 통해, 온도·전압 변동에 따른 타이밍 오프셋을 실시간 보정한다.

실험 결과는 서브나노초 수준(≈0.5 ns)의 TOF 측정 정확도를 보여준다. 이는 백엔 실험에서 요구되는 1 MeV 이하 중성자 에너지 분해능을 충분히 만족한다. 또한 별도의 외부 타이머 보드나 고가의 디지털 오실로스코프 없이, 하나의 PXIe 시스템만으로 7종 검출기의 동시 계측을 구현함으로써 비용·공간·운용 효율성을 크게 향상시켰다.

이와 같은 모듈형·FPGA 기반 설계는 다른 펄스 가속기 기반 중성자·감마 실험에도 확장 가능하며, 향후 고속 데이터 처리와 실시간 피드백 제어를 위한 추가 알고리즘(예: 머신러닝 기반 이벤트 분류)과도 연계될 수 있다.