Development of readout electronics for superconducting detectors using RFSoC

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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。