Development of readout electronics for superconducting detectors using RFSoC
| Project/Area Number |
22K18713
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 15:Particle-, nuclear-, astro-physics, and related fields
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
鈴木 惇也 京都大学, 理学研究科, 助教 (90795014)
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| Project Period (FY) |
2022-06-30 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
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| Keywords | 超伝導検出器 / ダークマター / RFSoC / リードアウト / FPGA |
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| Outline of Research at the Start |
データコンバータ、CPU、FPGA が統合されたチップ "RFSoC" を用いて、シンプルかつ高性能な超伝導検出器の読み出しシステムを開発する。従来、 FPGA、データコンバータ、RF （高周波）回路と 3 つの要素により成り立っていた読み出しシステムを、RFSoC ひとつに置き換える。この簡略化によってシステムの信頼性を上げるとともに、性能向上を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では ADC / DAC と FPGA が一体となったチップ RFSoC を用いた超伝導検出器のリードアウトシステムを開発する。近年の CMB 観測実験や低質量ダークマター探索実験などでは、感度を向上させるために多数の検出器を使用したいというニーズが高まっている。極低温への冷却と検出器数の増大を同時に実現するため、一対の線で 1000 個以上もの検出器の読み出しを行う多重化リードアウトが採用されている。多重化のシステムは高周波部品・高速データコンバータ・FPGA など複数のコンポーネントの組み合わせでできており、その複雑性が開発の難しさやコストの上昇、性能の低下につながっている。これらを一体として取り扱うことができる RFSoC を用いることでこれらの問題を回避する。
今年度は RFSoC を搭載したボード RFSoC 2x2 のファームウェア開発を行い、超伝導検出器の多重化読み出しへの適用を検証した。また、ダークマター探索に用いることができるよう、開発したファームウェアにある一定の入力が入った時にデータ取得を行う「セルフトリガー」機能を実装した。開発したボードを実際に神岡鉱山内で運用していた超伝導検出器 MKID に適用し、問題点の洗い出しを行なった。
また、 RFSoC の帯域幅をフルに使ったフーリエ変換のファームウェア開発を行なった。これにより取得した情報を間引くことなくすべて使うことができ、読み出し可能な検出器数の増大につながる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
RFSoC を用いたリードアウトのファームウェア開発を順調に進めることができた。また、別課題で開発したファームウェアコンポーネントを再利用することができ、効率的に進んだ。高位合成（HLS）を活用することで開発期間を短縮することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続き RFSoC を用いた超伝導検出器リードアウトのファームウェア開発を行う。また、これまで用いてきた RFSoC 2x2 ボードから性能向上した RFSoC 4x2 ボードへの移行を行い、さらなる性能向上を目指す。
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Report
(1 results)
Research Products
(4 results)
