一種應(yīng)用于多氣隙電阻板室探測(cè)器的前端電子學(xué)模塊

丁衛(wèi)撐 王 義 黃洪全 王 敏

1（成都理工大學(xué)地學(xué)核技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610059）

2（清華大學(xué)工程物理系粒子技術(shù)與輻射成像教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100084）

基于多氣隙電阻板室(MRPC)的飛行時(shí)間(TOF)探測(cè)器是 ALICE、CBM、STAR、NICA[1?3]等大型實(shí)驗(yàn)裝置中的主要探測(cè)器之一，它需要大量的前端電子學(xué)通道，一般采用NINO技術(shù)放大傳輸，采用HPTDC技術(shù)數(shù)字化[4]。對(duì)于一些小型的TOF測(cè)試系統(tǒng)，比如MRPC探測(cè)器樣機(jī)性能的宇宙射線測(cè)試和束流實(shí)驗(yàn)，簡(jiǎn)單的前端電子學(xué)系統(tǒng)配合高速數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)是比較理想的技術(shù)方案。MRPC探測(cè)器輸出電流信號(hào)小且脈沖前沿快而窄[5]（電流一般為幾個(gè) nA，上升時(shí)間為幾個(gè) ns，可減少脈沖前沿甄別時(shí)間晃動(dòng)），在用MRPC做粒子飛行時(shí)間探測(cè)中，需獲取探測(cè)器輸出脈沖信號(hào)的幅度信息和其前沿的時(shí)間信息。由于受放大器帶寬、放大轉(zhuǎn)換速度、噪聲等因素的限制，一般的前置電流型放大器無(wú)法滿足這一要求。本文介紹的TOF前端電子學(xué)模塊有價(jià)格低廉、制作方便、便于快速組裝測(cè)試系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)。

1 TOF探測(cè)信號(hào)放大器結(jié)構(gòu)和原理

放大器電路原理結(jié)構(gòu)如圖1，由于MRPC探測(cè)器兩級(jí)輸出信號(hào)極性相反，所以可用MRPC探測(cè)器輸出信號(hào)的特點(diǎn)，通過(guò)第一級(jí)差分放大器將極性相反的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為極性相反的差模電壓信號(hào)。該差模電壓信號(hào)其中一路經(jīng)快速比較器甄別，獲取脈沖信號(hào)前沿時(shí)間信息，另一路經(jīng)第二級(jí)差分放大器進(jìn)一步放大，傳輸?shù)椒全@取系統(tǒng)。

“IN+”接 MRPC負(fù)高壓電極側(cè)的信號(hào)輸出端，也即正信號(hào)輸出端，“IN-”接 MRPC正高壓電極側(cè)的信號(hào)輸出端，也即負(fù)信號(hào)輸出端。經(jīng)過(guò)前端電子學(xué)放大甄別后，時(shí)間信號(hào)和脈沖幅度信號(hào)輸出均為負(fù)信號(hào)。

圖1 電路原理結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure of circuit.

2 MRPC信號(hào)分析

圖2為示波器記錄到的MRPC輸出原始信號(hào)，示波器采用50 ?電阻匹配，通道1為負(fù)極輸出信號(hào)，通道2為正極輸出信號(hào)，通道3為宇宙線符合信號(hào)。從圖2看出，MRPC探測(cè)器在宇宙線作用下，正負(fù)輸出信號(hào)幅度均在~5 mV，信號(hào)上升沿小于10 ns。

圖2 MRPC輸出信號(hào)Fig.2 Output signal of MRPC.

采用式(1)單邊衰減信號(hào)來(lái)模擬 MRPC的輸出信號(hào)進(jìn)行頻域分析，根據(jù)MRPC信號(hào)邊沿特點(diǎn)確定參數(shù)α、β，做出的頻譜分析得出放大器的信號(hào)帶寬需達(dá)到400 MHz以上[6]。

3 減小噪聲及干擾的措施

3.1 第一級(jí)放大器件選擇

噪聲是影響放大器性能的主要因素，在低噪聲快速前置放大器設(shè)計(jì)中，尤其要考慮第一級(jí)電路的噪聲引入。因此，第一級(jí)放大器選擇至關(guān)重要，針對(duì) MRPC輸出信號(hào)的特點(diǎn)，主要考慮以下幾個(gè)參數(shù)：

(1) 帶寬要足夠?qū)挘瑵M足MRPC輸出信號(hào)放大器帶寬的要求。

(2) 反應(yīng)足夠快，能達(dá)到放大快速信號(hào)的目的。

(3) 溫漂及電子學(xué)噪聲系數(shù)盡量小，符合MRPC探測(cè)器信號(hào)低信噪比要求。

3.2 電路設(shè)計(jì)工藝

除電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元件參數(shù)選擇外，另一個(gè)制約測(cè)量精度的是電路制作工藝。要達(dá)到MRPC信號(hào)輸出的低噪聲快速放大目的，電路設(shè)計(jì)工藝應(yīng)注意：

(1) 引線合理：放大電路的布線要合理，放大電路輸入線與輸出線分開(kāi)走線，不能并行走線，輸入線采用雙絞線。

(2) 屏蔽密封：兩個(gè)輸入端用屏蔽環(huán)完全環(huán)繞，并將屏蔽環(huán)與信號(hào)地、屏蔽盒連接。

(3) 電源及接地：供電宜采用三端穩(wěn)壓器件輸出電源，可有效減少電源引入干擾。各通道、電路及每個(gè)通道的電路各部分的電源應(yīng)相互隔離。采用2 ?小電阻相互隔離，并在主要芯片電源輸入點(diǎn)設(shè)置陶瓷高頻濾波電容及鉭電容，起濾波及電源續(xù)流作用。在接地方面，由于放大電路中各個(gè)回路都以地作為電流返回的通路，但地線上的阻抗實(shí)際上不是零而形成極小的電位梯度，且地線與信號(hào)線偶合又會(huì)增加噪聲干擾，因此盡量減少接地點(diǎn)或減少不同接地點(diǎn)的距離。用多層電路板設(shè)計(jì)，采用獨(dú)立的電源層和獨(dú)立地層，來(lái)減小導(dǎo)線阻抗形成的電位梯度差對(duì)放大器的影響。

(4) 電路板設(shè)計(jì)：用多層板設(shè)計(jì)，采用獨(dú)立的電源層、地層及信號(hào)層，信號(hào)層與電源層之間通過(guò)地層隔離。

3.3 放大器物理連接

MRPC探測(cè)器信號(hào)輸出端等效輸出電容大(幾十pf)，輸出電荷量小(~50 fC)，為使信號(hào)通過(guò)長(zhǎng)電纜傳輸?shù)綌?shù)據(jù)獲取系統(tǒng)能被甄別，須經(jīng)過(guò)多級(jí)放大處理，總共放大增益~500倍。如此大的放大倍數(shù)需要有足夠低的電子學(xué)噪聲。同時(shí)，由于信號(hào)很快，一般用特性阻抗為~92 ?的雙絞線傳輸，因此在輸入端需作92 ?阻抗匹配設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)的做法是將模塊分為兩部分：信號(hào)的引入底板和電子學(xué)電路。信號(hào)引入底板通過(guò)阻抗匹配接口與探測(cè)器信號(hào)輸出端相連；電子學(xué)電路的信號(hào)輸入通過(guò)信號(hào)底板引入，信號(hào)底板起屏蔽電磁干擾作用。前端電子學(xué)電路板為6層，其中2層為地層，2層為電源層，2層為信號(hào)走線層。

測(cè)試氣體的溫度會(huì)影響探測(cè)器噪聲及時(shí)間分辨率等性能。為減少溫度影響，電子學(xué)模塊與探測(cè)器之間存在空隙，可使電子學(xué)電路的熱不容易傳入到測(cè)試氣體中。由于MRPC信號(hào)輸出端的等效電容遠(yuǎn)大于電子學(xué)電路信號(hào)輸入端的等效輸入電容，因此需對(duì)輸入端的阻抗匹配做最佳設(shè)計(jì)。放大器的反饋網(wǎng)絡(luò)決定了放大器的放大增益和帶寬，因此需針對(duì)具體要求通過(guò)反饋電阻網(wǎng)絡(luò)對(duì)輸入?yún)?shù)作最優(yōu)化設(shè)計(jì)，這需要利用MRPC宇宙射線測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)試，當(dāng)調(diào)試完成后，批量生產(chǎn)。

4 電路設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇

實(shí)際應(yīng)用中，僅取“IN+”端信號(hào)，即 MRPC正信號(hào)輸出端，實(shí)用電路如圖 3，電路主要分四部分：系統(tǒng)電源、第一級(jí)放大、第二級(jí)放大和脈沖前沿快速甄別。選取Maxim公司的MAX3760低噪聲互阻放大器作為第一級(jí)放大器，其跨阻為6.5 k?，噪聲僅為73 nA，頻帶560 MHz，可很好的放大上述快速小信號(hào)。同時(shí)，芯片本身帶有倒相放大功能，輸出為差模信號(hào)，方便后續(xù)電路設(shè)計(jì)。第二級(jí)放大器采用 AD8001AR，其在兩倍增益時(shí)頻寬為 440 MHz，與第一級(jí)輸出信號(hào)頻寬相匹配。時(shí)間前沿快速甄別器需要小的時(shí)延及時(shí)延的離散值，AD96685BR時(shí)延為~2.5 ns，離散值僅為50 ps，輸出為ECL電平，與NIM電平轉(zhuǎn)換較方便。

圖3 MRPC前端電子學(xué)實(shí)用電路Fig.3 A practical circuit front-end electronics of MRPC.

電路中，R3、R8和 C3主要起信號(hào)輸入成型及阻抗匹配作用，R3值選取92 ?，與MRPC信號(hào)輸出雙絞線阻抗匹配。R3、R8雖然對(duì)輸入信號(hào)有一定程度的衰減，但這減小了雙絞線輸出與放大器連接信號(hào)的不穩(wěn)定性和抖動(dòng)。HSMS2822肖特基雙向二極管 D1主要起保護(hù)作用，當(dāng)輸入信號(hào)超過(guò)額定值時(shí)，肖特基雙向二極管導(dǎo)通，從而保護(hù)后續(xù)電路。

信號(hào)經(jīng)交流耦合電容 C3進(jìn)入快速電流放大器MAX3760，由MAX3760進(jìn)行雙向放大，轉(zhuǎn)化成差模信號(hào)后分為兩路輸出，其中一路通過(guò)AD8001AR進(jìn)行二級(jí)放大，合理的選擇反饋電阻 R19值，控制放大倍數(shù)及帶寬。信號(hào)另一路通過(guò) C4、R4和 C5、R12微分電路進(jìn)入時(shí)間前沿快速甄別器AD96685BR，其反向輸出端通過(guò)脈沖寬度限定電容C6接到AD96685BR的鎖定控制端LE，LE通過(guò)R3和R11分壓網(wǎng)絡(luò)被拉成低電平，平時(shí)處于開(kāi)啟狀態(tài)。當(dāng)甄別到脈沖時(shí)，LE被短暫鎖定，從而保證時(shí)間甄別脈沖前沿的穩(wěn)定。AD96685BR輸出的是ECL電平，時(shí)間測(cè)量插件通常采用 NIM 電平，因此通過(guò)AT41411高頻三極管Q1進(jìn)行反向后轉(zhuǎn)換成NIM電平。R12、R14和 R18電阻分壓網(wǎng)絡(luò)對(duì)甄別閾值進(jìn)行限定，通過(guò)電源模塊的電位器調(diào)整 VHT電壓，從而調(diào)整甄別閾值。

5 性能測(cè)試

5.1 線性測(cè)試

采用精密脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的近似階躍信號(hào)測(cè)試，通過(guò)對(duì)階躍信號(hào)積分，取脈沖前沿成型后的脈沖信號(hào)作為放大器的輸入脈沖信號(hào)。實(shí)際上該信號(hào)已衰減一部分，取精密脈沖發(fā)生器產(chǎn)生輸出的階躍信號(hào)幅度作為輸入信號(hào)幅度。放大器線性測(cè)試結(jié)果如圖4，可見(jiàn)在輸入信號(hào)幅度小于5 mV時(shí)，放大器線性較好，MRPC信號(hào)輸出在其線性放大區(qū)。而大于5 mV時(shí)，放大器線性度降低，分析原因初步認(rèn)為是受放大器本底噪聲、跨導(dǎo)電阻、增益帶寬比的影響。在一級(jí)放大器器件選型時(shí)選擇更低噪聲、更小跨導(dǎo)電阻、更高帶寬增益比將有利于提高放大器的放大線性范圍。

圖4 放大器線性測(cè)試結(jié)果Fig.4 Test results of amplifier linearity.

5.2 MRPC信號(hào)測(cè)試

采用MRPC宇宙射線測(cè)試系統(tǒng)[7]，通過(guò)宇宙望遠(yuǎn)鏡符合信號(hào)觸發(fā)，獲得經(jīng)放大器放大后MRPC信號(hào)如圖5，其中通道1為幅度信號(hào)，通道4為時(shí)間信號(hào)，通道2為宇宙線符合信號(hào)。從圖5看出，MRPC時(shí)間輸出信號(hào)領(lǐng)先宇宙望遠(yuǎn)鏡信號(hào)~100 ns，放大器幅度輸出信號(hào)前沿<10 ns。在宇宙射線測(cè)試系統(tǒng)中，時(shí)間信號(hào)連接TDC測(cè)量系統(tǒng)，幅度信號(hào)連接QDC測(cè)量系統(tǒng)。幅度信號(hào)通過(guò)延遲線延遲后使其處于宇宙射線觸發(fā)脈沖信號(hào)寬度之內(nèi)。時(shí)間信號(hào)啟動(dòng)TDC測(cè)量，宇宙望遠(yuǎn)鏡符合信號(hào)作為TDC測(cè)量的停止時(shí)間，作為 QDC測(cè)量的啟動(dòng)時(shí)間，使數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)完成對(duì)MRPC輸出時(shí)間信號(hào)和幅度信號(hào)的測(cè)量。

圖5 實(shí)測(cè)放大器輸出信號(hào)Fig.5 Measured amplifier output signal.

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分離元件研制的 MRPC前端電子學(xué)模塊有價(jià)格低廉、制作方便、便于快速組裝測(cè)試系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)，很容易進(jìn)行 MRPC性能測(cè)試?，F(xiàn)已應(yīng)用于CBM實(shí)驗(yàn)用MRPC探測(cè)器和STAR實(shí)驗(yàn)m子探測(cè)MTD批量生產(chǎn)時(shí)的宇宙射線測(cè)試系統(tǒng)中。該電子學(xué)模塊還可作為輻射探測(cè)中探測(cè)器(如 GEM、3He管中子探測(cè)、RPC等)輸出信號(hào)的前置放大和甄別。

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