无中微子双贝塔衰变实验高密度电荷收集节点自组织读出网络研究

The Topmetal series charge sensor developed by Central China Normal University has excellent low noise performance. And a single electrode sensor Topmetal-S is being developed and optimized specifically for the neutrinoless double beta decay experiment. High pressure gas time projection chamber (TPC) made of Topmetal-S charge plane can achieve high energy resolution and high spatial resolution on the premise of stability, uniformity and scalability. This requires tile about one hundred thousand sensors on a meter-sized plane, the biggest challenge is the readout of the high density data channel. The purpose of this project is to use the self-organizing network to realize the high density charge collection node readout: as the node of the network, the sensor is connected with the local neighbor nodes. Nodes not only generate and transmit their own data, but also responsible for forwarding data transmitted by other nodes. The data is transmitted to the plane edge in the form of packets, and then output to the outside of the TPC, hence the signals that need to draw out from the plane are greatly reduced, also easy to achieve high pressure air tightness of the TPC; A distributed routing algorithm based on local information is used in the readout circuit, which can be integrated into the sensor, thus it will not introduce additional radioactive material to TPC; In addition, with the increase of the scale the local performance of each node does not decay, and the total bandwidth increases, which has the characteristics of high efficiency, low cost and scalability.

华中师范大学研制的Topmetal系列电荷传感器芯片具有优异的低噪声性能，并且针对无中微子双贝塔衰变实验设计了单电极传感器Topmetal-S，利用其组成的电荷收集平面制成的高压气体时间投影室（TPC）在保证稳定性、均匀性和可扩展性的前提下能达到高能量分辨率和高空间分辨率。这需要在米大小的平面上平铺约十万个传感器，最大的挑战是高密度数据通道读出。本项目旨在利用自组织网络实现高密度电荷收集节点的读出：传感器作为读出网络的节点，主要与本地相邻节点互连，节点不仅产生和传输本身数据，还负责转发其他节点传输来的数据，数据以包的形式向平面边缘传输，再输出到TPC外部，极大减少了引出信号的数量，也易于实现TPC高压气密性；读出电路采用分布式路由算法，仅依赖本地信息，可集成到芯片中，不会给TPC引入额外的放射性材料；当规模扩大后节点的本地性能不会衰减，且总带宽增大，具有效率高、开销低、可扩展性好等特点。

无中微子双贝塔衰变（0ʋββ）是当今粒子物理学中重要的前沿主题之一。在0ʋββ实验中，TPC探测器具有扩展性好、能量分辨率高的特点。此外，TPC通过观察电离轨迹的独特能力也有助于背景的抑制和0ʋββ事件的确认。然而为了能同时利用优异的能量分辨率和电荷轨迹，传统TPC方案由于涉及气体电子雪崩放大而严重恶化了能量分辨率。基于此，华中师范大学硅像素实验室提出了无电子雪崩的像素电荷探测平面，并研制了低噪声Topmetal-S传感器，可同时保证高能量分辨率和位置分辨率。这需要在米大小的平面上平铺十万颗传感器，最大的挑战是高密度数据通道读出。. 基于此，本项目提出了自组织读出网络的方案，并对几个关键问题展开了研究：基于0ʋββ事件的特性，研究出对应的网络数据流量模型；找出适合0ʋββ实验应用需求的最佳网络拓扑结构；实现自组织读出网络的数据交换方案和路由算法，基于此完成读出网络节点的顶层设计；开发一套检测验证平台，来仿真验证设计，并进一步通过FPGA实现了100个节点的读出网络原型的功能和性能验证；实现自组织读出网络节点的芯片电路设计并流片；完成了单芯片和3×3网络的测试和评估；当芯片工作在50MHz的时钟时，单芯片的吞吐率为36.84Mb/s，3×3网络的最大吞吐率为110.52Mb/s；并且随着网络规模的扩大，吞吐率也随之增大，完全满足设计需求。在既定研究目标之外，探索性的在第二版芯片中实现了动态路由算法，进一步提升了读出网络的性能。. 通过本项目的研究，解决了高密度电荷收集节点的自组织网络读出的问题。极大减少了引出信号的数量，易于实现TPC高压气密性；采用分布式路由算法，仅依赖本地信息，可集成到芯片中，不会给TPC引入额外的放射性材料；容错路由算法的实现使得读出网络中某一些传感器节点失效时不会导致大片读出网络的瘫痪。当网络规模扩大后节点的本地性能不会衰减，且总带宽增大，具有效率高、开销低、可扩展性好、稳定性好等特点。为基于Topmetal技术实现的新一代TPC探测器解决了技术挑战。