STCF RICH原型探測(cè)器的測(cè)試電子學(xué)系統(tǒng)構(gòu)建與聯(lián)調(diào)測(cè)試

侯寶臨，趙 雷，陳 朕，張志永，劉 倩，豐建鑫，汪安琪，邵 明，劉建北，李嘉銘，封常青，劉樹(shù)彬，安 琪

(1.核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥 230026；2.西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 物理科學(xué)學(xué)院，北京 100049)

在粒子物理實(shí)驗(yàn)中，陶粲能區(qū)具有非常獨(dú)特的物理特征，被認(rèn)為是研究強(qiáng)子物理和尋找新物理的重要場(chǎng)所。正在預(yù)研中的超級(jí)陶粲裝置(STCF)是我國(guó)繼北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)(BEPCⅡ)之后基于加速器的粒子物理大科學(xué)裝置的重要選項(xiàng)之一，為陶粲物理和強(qiáng)子物理研究提供獨(dú)特平臺(tái)。STCF質(zhì)心系能量計(jì)劃運(yùn)行在2～7 GeV，這一能區(qū)由正負(fù)電子碰撞所產(chǎn)生的強(qiáng)子末態(tài)，其最大動(dòng)量可達(dá)2.0 GeV/c，這就要求粒子鑒別(PID)探測(cè)器對(duì)相應(yīng)能段的帶電強(qiáng)子(π/K/p)具有3σ的粒子鑒別能力。

切倫科夫探測(cè)器是利用不同速度的帶電粒子經(jīng)過(guò)輻射體產(chǎn)生的切倫科夫光角度不同來(lái)進(jìn)行粒子鑒別的[1]。實(shí)現(xiàn)切倫科夫輻射角精確測(cè)量的探測(cè)器技術(shù)包括環(huán)形成像切倫科夫(RICH)探測(cè)器、內(nèi)部全反射切倫科夫光探測(cè)器(DIRC)等[2-4]。其中，RICH探測(cè)器具有粒子鑒別動(dòng)量范圍大且連續(xù)的特點(diǎn)，有很好的粒子鑒別能力。RICH原型探測(cè)器的核心部件是光探測(cè)器，切倫科夫光產(chǎn)額低，要求光探測(cè)器必須對(duì)單光子靈敏，由表面鍍碘化銫(CsI)的厚型氣體電子倍增器+微網(wǎng)格氣體(THGEM+Micromegas)混合探測(cè)器可很好地滿(mǎn)足RICH探測(cè)器對(duì)光探測(cè)的各項(xiàng)要求[5]。RICH原型探測(cè)器的尺寸為160 mm×160 mm，陽(yáng)極讀出像素單元的尺寸為5 mm×5 mm，共有1 024路讀出像素單元。RICH原型探測(cè)器對(duì)單光電子的增益約為105，其輸出信號(hào)主要由雪崩產(chǎn)生的電子漂移和離子漂移貢獻(xiàn)，電子漂移速度很快，因此信號(hào)前沿持續(xù)時(shí)間僅約1 ns；離子漂移的速度相對(duì)較慢，故信號(hào)后沿持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)(約100 ns)。要求測(cè)試電子學(xué)系統(tǒng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)時(shí)間和電荷的測(cè)量，時(shí)間分辨達(dá)1 ns，電荷測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍達(dá)48 fC，系統(tǒng)的等效噪聲電荷(ENC)小于0.5 fC?；谝陨蠈?duì)測(cè)試電子學(xué)系統(tǒng)提出的需求，為評(píng)估RICH原型探測(cè)器的性能，本文構(gòu)建一套高集成度、低噪聲的測(cè)試電子學(xué)系統(tǒng)，并對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試，以準(zhǔn)確地評(píng)估探測(cè)器設(shè)計(jì)的正確性及性能指標(biāo)。

1 RICH原型探測(cè)器測(cè)試電子學(xué)系統(tǒng)

針對(duì)RICH原型探測(cè)器的測(cè)試需求，基于波形數(shù)字化的分析方法可最全面準(zhǔn)確地反映粒子的基本信息，且可進(jìn)行在線數(shù)據(jù)分析和處理[6-7]。目前氣體電子倍增器(GEM)和Micromegas探測(cè)器常用的讀出ASIC有APV25、GERO、AFTER和AGET及利用這些ASIC設(shè)計(jì)的前端讀出電子學(xué)系統(tǒng)等[8-12]。本工作采用已設(shè)計(jì)完成的基于AGET的電子學(xué)系統(tǒng)[13-15]來(lái)構(gòu)建RICH原型探測(cè)器的測(cè)試電子學(xué)系統(tǒng)。AGET是法國(guó)Saclay實(shí)驗(yàn)室為時(shí)間投影室(TPC)通用電子學(xué)系統(tǒng)專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的一款前端讀出芯片，該芯片主要由前端電荷靈敏放大、整形、濾波、開(kāi)關(guān)電容陣列(SCA)等組成，其輸入動(dòng)態(tài)范圍(120 fC、240 fC、1 pC和10 pC)、達(dá)峰時(shí)間(50 ns～1 μs)和SCA采樣頻率(1～100 MHz)均可調(diào)。在輸入電容小于30 pF、成形時(shí)間為1 μs的情況下，其ENC小于0.08 fC[12]。AGET芯片結(jié)合后端的模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)和數(shù)字信號(hào)處理單元，可實(shí)現(xiàn)對(duì)RICH原型探測(cè)器輸出波形的數(shù)字化讀出。

RICH原型探測(cè)器測(cè)試電子學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。利用4塊AGET前端電子學(xué)(FEE，每個(gè)FEE 256通道)模塊[13-14]實(shí)現(xiàn)了1 024路RICH原型探測(cè)器信號(hào)的讀出。由于AGET芯片的ENC隨輸入電容的增大而增大，隨成形時(shí)間的增大而減小[12]，因此，為了降低系統(tǒng)噪聲，RICH原型探測(cè)器和FEE之間采用高密連接器相連，且轉(zhuǎn)接板尺寸應(yīng)盡可能地小，使走線更短，以減小由走線引入的輸入電容，同時(shí)，在做束流實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)FEE做了電磁屏蔽處理，以保證測(cè)試電子學(xué)系統(tǒng)的ENC小于0.5 fC。

RICH原型探測(cè)器的輸出信號(hào)經(jīng)AGET放大、濾波成形，并在觸發(fā)信號(hào)的控制下完成SCA采樣和ADC變換，ADC量化位寬為12 bit，并由FPGA對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后通過(guò)光纖將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)匯總模塊(DCM)[15]。DCM匯總4塊FEE的數(shù)據(jù)并打包，經(jīng)千兆以太網(wǎng)將打包后的數(shù)據(jù)上傳至PC。

圖1 測(cè)試電子學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of verification electronics system

圖2 單通道FEE的基線噪聲測(cè)試Fig.2 Baseline noise test for single channel of FEE

2 測(cè)試系統(tǒng)性能測(cè)試結(jié)果

2.1 基線噪聲測(cè)試

在將此測(cè)試電子學(xué)系統(tǒng)用于與探測(cè)器的聯(lián)合測(cè)試前，必須對(duì)系統(tǒng)本身的性能進(jìn)行測(cè)試和評(píng)估。在120 fC輸入動(dòng)態(tài)范圍、25 MHz SCA采樣頻率和1 μs達(dá)峰時(shí)間條件下，分別對(duì)FEE進(jìn)行了不連接和連接RICH原型探測(cè)器的基線噪聲測(cè)試。圖2a為不連接RICH原型測(cè)器時(shí)的基線噪聲，單個(gè)通道基線噪聲的RMS小于3.6 ADC道值，ENC約為0.1 fC。圖2b為連接RICH原型探測(cè)器時(shí)的基線噪聲，連接RICH原型探測(cè)器后單個(gè)通道基線噪聲的RMS小于3.8 ADC道值，ENC約為0.12 fC。連接探測(cè)器后噪聲變大的原因?yàn)椋篟ICH原型探測(cè)器輸出電容等的引入使得FEE的ENC略大于不連接RICH原型探測(cè)器時(shí)的ENC，但此結(jié)果仍滿(mǎn)足RICH原型探測(cè)器對(duì)測(cè)試電子學(xué)系統(tǒng)的要求。

2.2 線性測(cè)試

在與基線噪聲測(cè)試相同的條件下，對(duì)FEE進(jìn)行了輸入-輸出線性測(cè)試，單通道FEE輸入-輸出線性測(cè)試結(jié)果如圖3所示，通過(guò)對(duì)測(cè)試結(jié)果的線性擬合可看出，單通道FEE具有良好的輸入-輸出線性。

圖3 單通道FEE輸入-輸出線性測(cè)試結(jié)果Fig.3 Input-output linear test result for single channel of FEE

圖4 256通道單塊FEE的輸入-輸出線性測(cè)試結(jié)果Fig.4 Input-output linear test result for 256 channels of FEE

256通道單塊FEE的輸入-輸出線性測(cè)試結(jié)果如圖4所示，可看出，單塊FEE各通道輸入-輸出線性一致性良好，線性擬合后256通道單塊FEE的曲線斜率服從高斯分布(圖5)。

采用傳輸線延時(shí)法對(duì)不同成形時(shí)間下電子學(xué)的時(shí)間分辨進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如圖6所示，可看出，在不同成形時(shí)間下，當(dāng)輸入電荷量大于35 fC時(shí)，電子學(xué)的時(shí)間分辨好于1 ns。

圖5 單塊FEE 256通道輸入-輸出斜率分布Fig.5 Input-output slope distribution for 256 channels of FEE

圖6 不同成形時(shí)間下電子學(xué)的時(shí)間分辨Fig.6 Electronics time resolution at different shaping time

3 高能電子束流測(cè)試

為驗(yàn)證RICH原型探測(cè)器系統(tǒng)的功能及性能，課題組在德國(guó)電子同步輻射裝置(DESY)[16]上進(jìn)行了為期1個(gè)月的束流實(shí)驗(yàn)。使用配備有電子學(xué)的RICH原型探測(cè)器樣機(jī)進(jìn)行束流測(cè)試，束流測(cè)試要求最高事例率為100 Hz，若FEE采用全讀出模式，每個(gè)FEE共有256路讀出，每路512個(gè)采樣點(diǎn)。采用12 bit ADC對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行量化，每個(gè)樣值前加入4 bit對(duì)應(yīng)的芯片號(hào)，每個(gè)通道的數(shù)據(jù)組成1幀，幀頭和幀尾共192 bit，數(shù)據(jù)傳輸采用8b/10b編碼方式，則4塊FEE匯總至DCM后的數(shù)據(jù)率為4.292 Gbps。由于DCM與PC之間采用千兆以太網(wǎng)傳輸，目前RICH原型探測(cè)器測(cè)試電子學(xué)系統(tǒng)的DCM與PC之間數(shù)據(jù)的上限傳輸速率約為650 Mbps[17]。該上限傳輸速率小于4塊FEE總的數(shù)據(jù)率，為了實(shí)現(xiàn)高事例率的數(shù)據(jù)讀出，必須采用每個(gè)讀出通道閾值壓縮的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，使壓縮后總的數(shù)據(jù)率小于650 Mbps。因此，測(cè)試開(kāi)始前，需在束流環(huán)境下對(duì)每塊FEE的基線噪聲進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖7所示，束流環(huán)境下各FEE基線噪聲的RMS約為10 ADC道值，即ENC約為0.3 fC，僅個(gè)別通道的基線噪聲(最大約38 ADC道值，ENC約1.1 fC)偏高，分析其原因可能是束流現(xiàn)場(chǎng)的干擾所致，但對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響可忽略。按平均每個(gè)事例擊中10個(gè)陽(yáng)極讀出像素單元計(jì)算，采用每通道閾值壓縮后的數(shù)據(jù)率為41.92 Mbps，遠(yuǎn)小于DCM與PC之間的上限傳輸速率，從而保證了電子學(xué)系統(tǒng)在束流測(cè)試時(shí)能穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。

a——2號(hào)板；b——5號(hào)板；c——7號(hào)板；d——10號(hào)板圖7 束流現(xiàn)場(chǎng)各FEE基線噪聲測(cè)試結(jié)果Fig.7 Each FEE’s baseline noise test result on beam test-site

圖8為一次束流實(shí)驗(yàn)RICH原型探測(cè)器記錄多個(gè)事例(約30 000個(gè))的切倫科夫輻射光信號(hào)(圖8上部分弧形區(qū)域)和幅度較大的電離信號(hào)(圖8下部分圓形區(qū)域)的擊中位置。圖9為RICH原型探測(cè)器單光電子信號(hào)的電荷量分布，可看出，電荷量分布的平均值為1 366 ADC道值，對(duì)應(yīng)的電荷量約為40 fC。該電荷分布對(duì)應(yīng)RICH原型探測(cè)器對(duì)單光電子信號(hào)的增益約為2×105，在此增益下，系統(tǒng)的時(shí)間分辨好于0.8 ns。

圖8 RICH原型探測(cè)器多個(gè)事例擊中位置Fig.8 Hit map for RICH prototype detector

圖9 RICH原型探測(cè)器單光電子信號(hào)的電荷量分布Fig.9 Charge distribution of single photoelectron for RICH prototype detector

4 結(jié)論

針對(duì)RICH原型探測(cè)器的研究需求，構(gòu)建了一套集成1 024通道的高集成度、低噪聲的測(cè)試電子學(xué)系統(tǒng)。測(cè)試結(jié)果表明，該測(cè)試電子學(xué)系統(tǒng)的ENC小于0.3 fC，且具有良好的輸入-輸出線性，各通道一致性較好。通過(guò)單通道閾值壓縮的方式，保證了在事例率不超過(guò)100 Hz時(shí)，系統(tǒng)能穩(wěn)定地將數(shù)據(jù)傳輸至PC端，滿(mǎn)足了RICH原型探測(cè)器數(shù)據(jù)讀出的需求。此測(cè)試電子學(xué)系統(tǒng)已用于探測(cè)器原型的束流實(shí)驗(yàn)，成功測(cè)到了單光電子信號(hào)。