基于SCA波形采樣讀出電子學(xué)的CSNS Back-n中子飛行時間測量

朱丹陽，陳 朕，易 晗，高可慶,5，封常青,*，樊瑞睿1,，孫 康,6，蔣 偉，李 強，李 樣，劉樹彬

(1.核探測與核電子學(xué)國家重點實驗室；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 近代物理系，安徽 合肥 230026；3.中國科學(xué)院 高能物理研究所，北京 100049；4.散裂中子源科學(xué)中心，廣東 東莞 523803；5.西安交通大學(xué)，陜西 西安 710049；6.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

中國散裂中子源(CSNS)是我國的一臺大型科學(xué)實驗裝置，通過高功率脈沖質(zhì)子束轟擊中子靶(鎢靶)產(chǎn)生高通量的中子，慢化后變成熱中子或冷中子束流，可用于基于中子散射技術(shù)的材料科學(xué)、生物科學(xué)，以及核能技術(shù)、基礎(chǔ)核物理和核醫(yī)學(xué)等學(xué)科的研究[1-4]。CSNS反角白光中子束(Back-n)是從散裂靶反角引出并經(jīng)準(zhǔn)直的、具有連續(xù)能譜的中子束流，其能量范圍很寬(1 eV～100 MeV)，束流通量密度很高(距散裂靶80 m處測到的通量密度約為5.0×106cm-2·s-1)，為中子物理實驗研究提供了很好的平臺[5-6]。

為得到可靠的中子實驗數(shù)據(jù)，必須對中子束流的剖面、通量、能譜等特性進(jìn)行監(jiān)測?；谑鞅O(jiān)測的需求，CSNS白光中子組聯(lián)合中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制了一套基于微網(wǎng)格氣體(Micromegas)探測器的高空間分辨二維讀出中子探測器[7]，并安裝在CSNS實驗廳1中用于測量束流剖面和中子能譜。由于中子是電中性的，很難直接被Micromegas探測器捕獲，在Micromegas探測器內(nèi)表面的薄鋁膜上鍍1層薄的10B轉(zhuǎn)換體，中子與硼轉(zhuǎn)換體發(fā)生核反應(yīng)，利用氣體探測器對核反應(yīng)產(chǎn)生帶電粒子的響應(yīng)，實現(xiàn)中子信號的測量。本文基于開關(guān)電容陣列(SCA)波形采樣讀出電子學(xué)，對CSNS Back-n中子飛行時間進(jìn)行測量。

1 讀出電子學(xué)系統(tǒng)介紹

1.1 探測器的讀出需求

反角白光中子束流從靶站到實驗廳1的Micromegas探測器飛行距離約為56 m。結(jié)合實驗情況，中子最長和最短飛行時間分別約為10 ms(對應(yīng)0.16 eV)和650 ns(約對應(yīng)38 MeV)。在中子低能區(qū)，中子能量En、中子質(zhì)量mn、中子從靶站到探測器的飛行距離Lflight和中子飛行時間(TOF)的關(guān)系近似表達(dá)為：

(1)

當(dāng)中子飛行距離確定時，中子能量可通過測量從靶站到探測器的飛行時間得到。

對式(1)兩邊同時微分，可得到中子的時間分辨率和能量分辨率的關(guān)系為：

(2)

其中：dEn/En為中子的能量分辨率；dTOF/TOF為中子的時間分辨率。通常情況下，束流監(jiān)測裝置如要實現(xiàn)10%的能量分辨率，對應(yīng)最高能量的中子(能量約為38 MeV，飛行時間為650 ns)，其測量系統(tǒng)的時間測量誤差需好于32.5 ns，這既包括Micromegas探測器信號時間漲落，也包括讀出電子學(xué)測量誤差的貢獻(xiàn)。在兩者統(tǒng)計不相關(guān)的情況下，誤差傳遞公式為：

(3)

其中：σ系統(tǒng)為束流監(jiān)測系統(tǒng)的時間分辨誤差；σ探測器為Micromegas探測器的時間分辨誤差；σ電子學(xué)為讀出電子學(xué)的時間分辨誤差。在假設(shè)探測器和電子學(xué)對系統(tǒng)時間誤差的貢獻(xiàn)相等的條件下，希望讀出電子學(xué)的本征時間分辨指標(biāo)好于20 ns。

讀出電子學(xué)的功能是實現(xiàn)Micromegas探測器128路陽極條信號的幅度(電荷)和時間測量。根據(jù)探測器輸出信號幅度的特點，要求電子學(xué)通道的基線噪聲不大于2 fC(接探測器之后)。其次，為避免長電纜傳輸過程造成信號損耗或引入干擾，前端電子學(xué)和Micromegas探測器需就近連接。為實現(xiàn)128路信號的高密度讀出及對未來探測器通道數(shù)擴(kuò)展的需求，前端電子學(xué)采用專用集成電路(ASIC)的技術(shù)方案。

1.2 讀出電子學(xué)設(shè)計

根據(jù)上述實驗需求并綜合考慮成本和進(jìn)度要求，采用文獻(xiàn)[8]中的微結(jié)構(gòu)氣體探測器通用讀出電子學(xué)系統(tǒng)來實現(xiàn)該束流監(jiān)測裝置的Micromegas探測器信號讀出。該系統(tǒng)采用基于SCA技術(shù)的ASIC芯片(AGET[9])，并利用波形數(shù)字化技術(shù)[10]來實現(xiàn)探測器信號的測量。

為實現(xiàn)中子飛行時間測量的功能，對這套電子學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，利用現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA)邏輯記錄信號過閾時刻，并將其打包到數(shù)據(jù)中。讀出電子學(xué)系統(tǒng)框架如圖1所示，由1塊前端讀出板(FEC)和1塊數(shù)據(jù)采集模塊(DCM)組成。FEC使用2片AGET芯片處理128路探測器陽極條信號。在AGET芯片內(nèi)部對信號進(jìn)行電荷靈敏放大和成形，再將波形的模擬采樣值存儲到內(nèi)部集成的SCA中，最后在芯片外部通過25 MSPS、12 bit的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)將波形數(shù)字化，最后通過光纖接口將FPGA(賽靈思Aritx-7系列[11])芯片打包的數(shù)據(jù)發(fā)送至DCM。FEC具體的設(shè)計已在文獻(xiàn)[12]中進(jìn)行了詳細(xì)說明，此處不再贅述。

考慮到未來探測器通道數(shù)擴(kuò)展的需求，DCM可通過不同的光纖接口向多塊FEC廣播式下發(fā)配置命令，并通過FPGA(Xilinx Zynq-7000[13])和雙速率同步動態(tài)隨機存取器(DDR3 SDRAM)處理多塊FEC的數(shù)據(jù)，最后通過千兆以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X用于離線數(shù)據(jù)分析。

前端讀出板的AGET芯片每個通道集成了電荷靈敏前放、成形濾波電路及512個開關(guān)電容組成的SCA，芯片的采樣率范圍為1～100 MHz，波形讀出頻率設(shè)置成25 MHz，有4個動態(tài)范圍(120 fC、240 fC、1 pC、10 pC)和16個達(dá)峰時間(70 ns～1 μs)。此外，AGET芯片內(nèi)部集成了兩類數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)：一類是提供高3 bit、針對64通道粗調(diào)的全局DAC；另一類是提供低4 bit、針對每個通道細(xì)調(diào)的DAC，兩者共同組成了7 bit的可調(diào)閾值。

2 基于波形數(shù)字化的中子飛行時間測量

在Back-n上，中子產(chǎn)生的過程往往伴隨大量的γ射線，這些瞬發(fā)γ射線(γ-flash)會比中子先到達(dá)探測器[14]。因此對于靶站產(chǎn)生的每一個中子束團(tuán)，讀出電子學(xué)需盡量避開γ-flash到達(dá)的時間段，減小其對數(shù)據(jù)的不利影響。在離線數(shù)據(jù)分析中，還可根據(jù)粒子信號特征對中子信號和γ信號作進(jìn)一步的區(qū)分[7]。

圖1 基于AGET芯片的中子探測器讀出電子學(xué)系統(tǒng)Fig.1 Readout electronics system based on AGET chip for neutron detector

中子飛行時間測量的原理如圖2所示。首先，在質(zhì)子打靶產(chǎn)生中子后650 ns的時刻，CSNS電子學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生T0信號，也就是中子束流產(chǎn)生的起始時刻(T起始)。質(zhì)子加速器打靶重復(fù)頻率為25 Hz，對應(yīng)的T0信號重復(fù)周期為40 ms。束流監(jiān)測系統(tǒng)的讀出電子學(xué)接收T0信號，在100 MHz時鐘域下開始記錄時間戳，T0時刻對應(yīng)的時間戳為0。讀出電子學(xué)等待一段時間避免γ-flash，然后進(jìn)行電荷信號采集。質(zhì)子打靶后產(chǎn)生高強度中子的時間窗約為10 ms，在這一時間窗內(nèi)，輸入信號的飛行時間相當(dāng)于輸入信號波形前沿起始點時刻(T到達(dá))和T0時刻的差值，即前沿起始點對應(yīng)的時間戳。AGET芯片將輸入信號和DAC閾值比較來產(chǎn)生擊中信號(T擊中)，F(xiàn)PGA同樣在10 ns精度下記錄擊中信號的時間戳，并將其用作系統(tǒng)觸發(fā)信號，在25 MHz時鐘域下產(chǎn)生停止信號(T停止)控制AGET SCA停止波形采樣。

圖2 飛行時間測量示意圖Fig.2 Diagram of TOF measurement

觸發(fā)信號在100 MHz時鐘下產(chǎn)生，并在25 MHz時鐘下控制SCA工作。這兩個時鐘雖然同源，但觸發(fā)信號的采集存在時間晃動，即擊中信號和停止信號之間的延遲時間存在晃動。測試過程中，記錄了擊中信號的時間戳，擊中信號和停止信號間的時間差約為10.24 μs，而延時晃動將會傳遞到飛行時間測量的標(biāo)準(zhǔn)差中。

根據(jù)上述測量原理，在前端電子學(xué)的FPGA芯片中實現(xiàn)了相應(yīng)的邏輯。FPGA測量方案示意圖如圖3所示，具體過程如下：FPGA接收T0信號，記錄對應(yīng)的時間戳，同時不響應(yīng)γ-flash產(chǎn)生的擊中信號。中子束流到達(dá)后，開啟觸發(fā)時間窗處理擊中信號，用以控制AGET SCA進(jìn)行波形的存儲和讀出，并將兩片AGET芯片的波形數(shù)據(jù)按乒乓機制存儲在兩個524 288位深度的隨機存取器(RAM)中，然后再按照芯片通道順序和RAM順序?qū)⒉ㄐ螖?shù)據(jù)和對應(yīng)的觸發(fā)號和時間戳打包，通過高速光纖鏈路將數(shù)據(jù)傳輸給后端電子學(xué)，用于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析。此外，F(xiàn)EC在10 ms有效時間窗后將停止處理擊中信號，并將之前記錄的時間戳和觸發(fā)計數(shù)清空，等待下一次T0信號的到來。

圖3 FEC FPGA邏輯框圖Fig.3 Logical diagram in FEC FPGA

考慮到DAC閾值存在時間游走效應(yīng)及采集的波形受到噪聲影響，波形前沿的起始點時間很難直接確定。而波形采樣的停止時刻和波形過閾產(chǎn)生擊中信號的時間間隔(10.24 μs)基本保持不變，SCA采樣點的時間間隔也保持不變，所以波形停止時刻的時間戳(TS停止)可計算得到。波形起始點(TP到達(dá))和停止采樣點(TP停止)在512個采樣點中的位置關(guān)系可通過擬合波形前沿得到。最終輸入信號的飛行時間為：

TOF中子=T到達(dá)-T0=10 ns×TS停止-40 ns×(TP停止-TP到達(dá))

(4)

3 飛行時間測量方案驗證和束流測試

3.1 實驗室飛行時間測量方案的驗證

在實驗室開展了一系列測試用于研究上述的飛行時間測量方案。圖4示出實驗室FEC和DCM的測試平臺。測試過程中，AGET芯片設(shè)置為25 MHz采樣頻率、120 fC動態(tài)范圍及1 μs的達(dá)峰時間。輸入電壓信號由工作在猝發(fā)模式下的信號發(fā)生器(Tektronix AWG40000系列)產(chǎn)生，然后通過轉(zhuǎn)接板上不同容值的電容轉(zhuǎn)換成不同電荷信號同時注入到FEC。T0信號通過同一信號發(fā)生器產(chǎn)生，通過同軸電纜和SMA(Small A Type)接口直接送入FPGA。信號發(fā)生器產(chǎn)生的猝發(fā)頻率為25 Hz，每個間隔中只有1個40 ms周期的T0信號和連續(xù)10個4 ms周期的脈沖信號用于測試實驗。

圖4 實驗室電子學(xué)系統(tǒng)測試平臺Fig.4 Testing platform of readout electronics system in laboratory

結(jié)合AGET芯片內(nèi)部電路的特點，使用準(zhǔn)高斯函數(shù)對采集到的波形進(jìn)行前沿擬合分析：

h近似擬合(t)=a(t-0.04·TP到達(dá))3·

(5)

其中：h近似擬合為近似擬合結(jié)果；a為與波形幅值相關(guān)的參數(shù)；0.04 μs為AGET芯片采樣時間間隔；TP到達(dá)為起始點在512個采樣點中對應(yīng)的位置；τ為與AGET濾波電路RC常數(shù)相關(guān)的參數(shù)；c為波形ADC碼值偏移坐標(biāo)零點的截距；t為電子學(xué)的采樣時間。

圖5示出對同一事例中不同電荷量的波形進(jìn)行前沿擬合的結(jié)果，可看出在同一事例中同時產(chǎn)生的不同幅度信號是同時到達(dá)FEC的不同通道，這個事例中第240個采樣點是波形前沿的起始點，也就是信號到達(dá)前端電子學(xué)的時刻。

圖5 同一事例3個不同幅度波形的準(zhǔn)高斯擬合結(jié)果Fig.5 Fitting result of quasi-Gaussian function on three-channel sampled plots at one event

對前端電子學(xué)128路通道同時注入相同的電荷量，采集到4 000個事例并進(jìn)行分析，結(jié)合式(4)、(5)擬合計算出所有通道在不同事例中對應(yīng)的飛行時間，然后將同一事例中相鄰?fù)ǖ赖臏y量結(jié)果作差，并將這些差值進(jìn)行直方圖統(tǒng)計，其分布如圖6所示。同時用式(6)對統(tǒng)計分布進(jìn)行高斯擬合。

(6)

其中：G為高斯分布的概率密度函數(shù)；ΔT為相鄰?fù)ǖ赖娘w行時間差；A為曲線尖峰的高度；μ為尖峰中心的坐標(biāo)；σ飛行時間為標(biāo)準(zhǔn)方差；c為曲線縱向截距。高斯擬合結(jié)果也示于圖6中，可得到通道飛行時間的時間分辨為8.51 ns，好于中子束流飛行時間測量的需求指標(biāo)(20 ns)。

3.2 CSNS反角白光中子束流測試

2019年1月，采用電子學(xué)系統(tǒng)配合鍍硼Micromegas探測器進(jìn)行了為期1周的反角白光中子束流測試。測試現(xiàn)場照片如圖7所示，鍍硼Micromegas探測器與前端電子學(xué)安裝在1個鋁制屏蔽盒中，放置在實驗廳1的束線上。該Micromegas探測器中充滿了由90%氬氣和10%二氧化碳組成的混合氣體，穩(wěn)定運行條件下的探測器陰極高壓為-460 V，探測器絲網(wǎng)高壓為-360 V。在此高壓條件下，該Micromegas探測器的增益只有數(shù)百倍，這意味著大多數(shù)中子信號在每根陽極條上沉積的電荷量只有4～5 fC，最大約為10 fC。根據(jù)此信號特征，AGET芯片采用最低的120 fC動態(tài)范圍。

圖6 差值統(tǒng)計直方圖的高斯擬合結(jié)果Fig.6 Gaussian fitting result of subtraction histogram

圖7 測試現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.7 Photograph of test platform

結(jié)合此類實驗的探測器信號特征，AGET芯片采用25 MHz采樣頻率實現(xiàn)了20.48 μs的波形采樣時間窗。理論上，小的成形時間有利于提高時間分辨，但考慮到中子飛行時間測量對于電子學(xué)時間分辨指標(biāo)為20 ns，1 μs的成形時間就足以達(dá)到此指標(biāo)要求。在計數(shù)率不高的情況下，較大的成形時間能顯著提升前端電子學(xué)的信噪比。此次實驗中，中子信號幅度較小，因此最終將AGET芯片的達(dá)峰時間設(shè)置為1 μs的最大檔位。FEC接上Micromegas探測器后128路通道的噪聲標(biāo)準(zhǔn)差均小于1.7 fC，如圖8所示，可得出噪聲水平符合實驗需求。

實驗初期，Micromegas探測器放置在通過60 mm準(zhǔn)直孔后的白光中子束線上，讀出電子學(xué)在等待約10 μs的γ-flash時間窗后，進(jìn)行探測器輸出信號的采集。

圖8 128路通道接上探測器后的噪聲標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計分布Fig.8 Histogram of 128-channel noise standard deviation after connecting detector

當(dāng)電荷信號越早到達(dá)前端電子學(xué)時，F(xiàn)EC采集到的波形在采樣時間窗內(nèi)越靠近時間窗的左側(cè)。另一方面，由于中子束流與轉(zhuǎn)換體反應(yīng)后產(chǎn)生的電子在Micromegas探測器中漂移存在不同程度的電荷擴(kuò)散效應(yīng)：電子漂移徑跡越短，它的擴(kuò)散效應(yīng)越小[15]。綜上所述，波形起始點最接近時間窗右側(cè)的輸入電荷信號是最后生成的電荷信號，也是擴(kuò)散最多的信號，這類信號最能代表中子擊中時間信息。因此，中子最準(zhǔn)確的飛行時間測量方法是對最后到達(dá)波形特征進(jìn)行分析。

圖9 典型中子二維讀出條擊中事例的波形Fig.9 Waveform of neutron-hit signal from two-dimensional strip in typical event

根據(jù)采集到的波形特征篩選出中子信號產(chǎn)生的波形，統(tǒng)計對應(yīng)擊中事例的時間戳，然后對每個事例中最后到達(dá)的中子信號進(jìn)行波形前沿擬合，最終計算出對應(yīng)的飛行時間。典型中子二維讀出條擊中事例的波形如圖9所示，從擬合結(jié)果可看出該事例中子飛行時間約為6.25 ms。

對大量波形幅度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到60 mm準(zhǔn)直孔后的中子束流剖面圖，如圖10a所示，可看到清晰的中子束斑輪廓。對中子飛行譜進(jìn)行重建，如圖10b所示，由于中子束流能量是連續(xù)的，所以飛行時間譜是連續(xù)譜，其量程范圍為10.65 μs～10 ms，對應(yīng)的能量范圍為0.16 eV～0.14 MeV。

進(jìn)一步實驗，將59Co和181Ta這兩種吸收片放置在探測器靈敏區(qū)前，部分中子束流先經(jīng)過吸收片再被探測器捕獲。結(jié)合59Co和181Ta吸收峰的特點，中子剖面圖和共振吸收飛行時間譜示于圖11。中子束流的飛行時間測量結(jié)果表明讀出電子學(xué)在測試過程中工作正常，驗證了讀出電子學(xué)系統(tǒng)的功能及飛行時間測量的正確性。

該系統(tǒng)的第86個通道存在連接斷路問題，導(dǎo)致剖面圖上y方向?qū)?yīng)的位置出現(xiàn)空白圖10 60 mm準(zhǔn)直孔后的白光中子束流剖面圖(a)和飛行時間譜(b)Fig.10 Hit map (a) and TOF spectrum (b) of white neutron beam with collimator of 60 mm

圖11 加鈷和鉭吸收片的白光中子束流剖面圖(a)和共振飛行時間譜(b)Fig.11 Hit map (a) and TOF spectrum (b) of white neutron beam with Co and Ta absorbers

4 結(jié)論

本文采用基于SCA波形采樣的多路讀出電子學(xué)，在配合鍍硼Micromegas探測器實現(xiàn)CSNS反角白光中子二維剖面測量的同時，利用數(shù)字化的波形信息，實現(xiàn)了中子飛行時間的測量。經(jīng)實驗室測試，電子學(xué)系統(tǒng)的時間測量精度(標(biāo)準(zhǔn)差)好于10 ns，滿足CSNS反角白光高能中子的飛行時間測量的指標(biāo)需求。2019年1月，在CSNS Back-n上開展實驗，讀出電子學(xué)系統(tǒng)運行穩(wěn)定，并通過離線分析60 mm準(zhǔn)直孔后和準(zhǔn)直后放置吸收片的中子束流數(shù)據(jù)，成功重建出白光中子束流的剖面圖和量程范圍為10.65 μs～10 ms的飛行時間譜，測得了59Co和181Ta吸收片對應(yīng)的中子共振吸收峰，證明了電子學(xué)方案的可行性和正確性。該電子學(xué)系統(tǒng)目前已安裝到CSNS Back-n，對中子束流監(jiān)測及相關(guān)實驗的開展發(fā)揮了重要作用。