基于自研ASIC芯片HEPS中硅微条探测器读出电子学原型系统设计与测试

时间分辨X射线粉末衍射技术是探测物质晶体结构及其演变的重要手段。单光子计数型硅微条探测器因其灵敏度高和死时间低,在高能同步辐射光源(HEPS)的X射线粉末衍射实验中发挥着重要作用。研制适用于单光子计数型一维硅微条探测器的专用ASIC读出芯片(SSDROC)及其读出电子学系统,并采用一种新标定方法解决了SSDROC各通道对同一输入输出响应不一致的问题,该方法可显著提高各通道数据一致性并减小衍射实验数据的统计误差。探测器完成各项性能测试,结果表明整体系统线性优秀、能量分辨能力强、噪声低以及计数率高,为将来大覆盖角度一维硅微条探测器系统研制奠定坚实基础。

DAMPE-PSD读出电子学研制

暗物质粒子探测卫星(dark matter particle explorer,DAMPE)是我国空间科学卫星系列的首发星,用于找出可能的暗物质粒子信号。塑料闪烁体阵列探测器(plastic scintillator detector,PSD)分系统作为卫星有效载荷的主体部件之一,参与承担高能粒子电荷测量和电子/γ射线鉴别任务。PSD由82根塑料闪烁体条和164个光电倍增管(photomultiplier tube,PMT)组成,有328个输出通道,每根塑料闪烁体条的动态范围为2×10~3,需配备1套完备的读出电子学系统。该电子学系统由4块前端电子学(front-end electronics,FEE)板构成,共具有360个信号处理通道,总功耗6W。电路主要包括电荷测量电路、模拟调理电路、模数变换电路、刻度电路、环境监测电路、FPGA电路、电源管理电路以及接口电路等,其主要功能是基于32路模拟信号将PMT的电荷信号输入VA160ASIC芯片,考虑了抗辐照加固、温度设计等一系列关键问题,以确保在严酷的太空中具有长期的可靠性。测试结果表明,该FEE系统工作稳定、性能良好,具有较好的技术指标,每个电子学通道实现了0~12.5pC的动态范围,通道的随机噪声水平好于2fC,积分非线性好于0.6%。FEE能适应恶劣的空间环境,具有很高的可靠性。FEE配合PSD样机还分别于2014年和2015年在欧洲核子中心(CERN)的PS和SPS终端成功完成了2次束流试验,验证了PSD的探测能力完全满足任务书中提出的功能和指标要求,能很好实现实际科学任务需求。

大面积GEM中子探测器高计数率读出电子学系统研制

研制并测试了GEM中子探测器的512通道高计数读出电子学系统,以满足中国散裂中子源高效率、高分辨、高通量二维位置灵敏中子探测器的需求.系统以Kintex-7 FPGA作为系统控制和数据分析的核心,使用8块AS20Board前端芯片对灵敏面积为200 mm×200 mm的探测器的两个维度的信号进行读出,读出通道为256×256.读出数据经FPGA分析后通过千兆以太网传输至计算机显示.计算机可通过千兆以太网发送配置指令对前端采样电路和FPGA算法进行配置.系统与探测器组装后在中子束流实验中测得系统最高瞬时计数率为(1.2±0.1)×10^6s^-1,系统运行稳定,受噪声干扰小.

用于新型塑料闪烁体阵列探测器的多通道前端读出电子学设计

介绍一种用于新型塑料闪烁体阵列探测器系统的前端读出电子学(FEE)的设计与实现,该前端读出电子学主要基于电荷测量专用的集成电路(ASIC)芯片和现场可编程逻辑门阵列(FPGA)研制,可实现对多路探测器信号的采集、处理、筛选、打包,并通过LVDS差分接口上传到后端的数据获取系统(DAQ)。同时,该电路设有板载线性标定电路,可实现对各通道电子学性能刻度,设有电源电流、关键芯片及电路温度实时监控等电路,使电路具有较完善的功能和较强的自我保护能力。

MRPC/TOF实验中的ASIC/NINO读出电子学

为了充分发挥多气隙电阻板室(MRPC)优异的性能,CERN的ALICE/TOF组设计了专用的放大甄别芯片—NINO。这种ASIC芯片采用了0.25μm CMOS技术制作,具有高度的集成性,每片可以同时对8路信号进行放大甄别成型;具有全线路的差分信号处理能力;放大器的信号前沿上升时间<1ns;具有LVDS输出信号电平,并且在一定的范围内,输出信号宽度取决于输入信号电流大小,可以满足HPTDC进行TOT测量的需要。我们采用ASIC的前端电子学NINO,对一个位置灵敏的MRPC进行了束流测试,获得了很好的实验结果。

北京谱仪漂移室读出电子学校准电路

本文介绍的电路可同时进行时间和电荷校准,它的校准量程大,精度高,稳定性好,可输出864路指数形校准信号,并可手动或程控。它的时间校准精度优于±250ps,电荷量校准精度优于±1％。

BES漂移室读出电子学逻辑控制及扇出电路

本文阐述了北京谱仪(BES)漂移室读出电子学逻辑控制和扇出电路的原理及技术性能,介绍了逻辑控制电路的系统校准和数据获取的两种工作方式。实验表明,它可有效地完成6834电子学通道的逻辑控制。

高分辨率X射线探测器读出电子学系统的研制及性能测试

本文针对光锥耦合X射线探测器低噪声的设计要求,研制了一套读出电子学系统,该系统包括模拟驱动电路、前端处理电路及基于现场可编程门阵列（FPGA）的数字信号处理电路。利用X射线成像平台,对研发的探测器进行了性能测试。探测器系统绝对增益为0.168 6DN/e-,线性工作范围为0-154μGy。制冷温度为-20℃时,暗电流噪声为0.037e-/（pixel·s）,读出噪声为10.9e-。探测器的本征空间分辨率达16lp/mm。测试结果表明,研制的读出电子学系统能满足高分辨率X射线探测器对低噪声特性的需求。

LHAASO-WFCTA读出电子学系统架构设计

广角切伦科夫望远镜阵列(Wide Field of View Cherenkov Telescope Array,WFCTA)是大型高海拔空气簇射观测站(Large High Altitude Air Shower Observatory,LHAASO)的主要探测器阵列之一,其物理目标是完成30 TeV到几EeV的宇宙线能谱测量.望远镜读出电子学系统包括1024个通道,需要处理的信号既有脉宽为几十ns的切伦科夫信号,又有脉宽为μs的荧光信号.本文详细介绍了望远镜读出电子学系统的架构设计,为了减少数据量,设计了在线触发的事例筛选架构:在子模块电子学上先进行第一级硬件触发,再在触发电路上实现事例触发.同时该电子学系统采用了4点压缩的方式获取波形数据,覆盖波形宽度为2.24μs.实验室测试结果表明:读出电子学系统可以正确获取信号波形,电荷测量的动态范围可以覆盖10 P.E.(Photon Electron)到32143 P.E.,高增益通道和低增益通道的重叠区从857 P.E.到1714 P.E.,高低增益比值与设计相符,电荷分辨率在10 P.E.时优于20%,在32000 P.E.时优于5%,相对偏差在10 P.E.时优于5%,在32000 P.E.时优于2%,该读出电子学系统满足设计要求.

面向暗物质直接探测的原型液氩探测器读出电子学系统设计

针对面向暗物质直接探测的t级原型液氩探测器的信号读出需求,本文设计了1套基于高速、高精度波形数字化技术及PXI Express高速仪器总线技术的读出电子学系统。该系统采用多个波形数字化模块和1个全局触发模块,实现单机箱40路光电倍增管信号的同步采集。系统具有很好的灵活性和可扩展性,通过将多个机箱的触发模块级联可进一步将系统规模扩展至数百通道。该系统研制完成后,配合1个10 kg级的小型液氩探测器开展了单光电子标定和放射源联调测试。通过放射源测试,获得了高质量的液氩探测器闪烁光信号波形。利用脉冲形状甄别算法,可清晰区分核反冲事例和γ事例,初步结果表明,在80~240 pe(光电子)信号幅度范围内的17万个事例中,没有电子反冲信号被误判为中子信号,验证了读出电子学技术路线和设计方案的可行性。

高计数率气体探测器读出电子学原型机研制

研制一套可用于高计数率气体探测器的读出电子学原型机系统,包括前端板、数据采集板和上位机。前端板采用一款先进的前端读出专用集成电路(ASIC)芯片实现对探测器信号的测量和模数转换;数据采集板利用现场可编程门阵列(FPGA)实现对数据的分析、处理和传输;上位机实现控制指令发送、PC端数据接收及存储等。在2.2~99 fC的输入范围内,原型机各通道积分非线性均好于0.24%;联合探测器使用55 Fe放射源测试,结果好于相同条件下的商用电子学。可满足20 kHz计数率下GEM-TPC探测器的读出需求。

基于SCA波形采样读出电子学的CSNS Back-n中子飞行时间测量

中国散裂中子源(CSNS)反角白光中子束线(Back-n)对中子核数据测量和核技术应用等多个领域均有重要意义.为监测其中子束斑轮廓、束流密度及束流能量,研制了由镀硼微网格气体(Micromegas)探测器构成的束流剖面监测装置,并通过测量中子的飞行时间(TOF)来获得能量信息.采用基于开关电容阵列(SCA)专用集成电路(ASIC)的波形采样电子学系统,实现了128路Micromegas探测器阳极条信号的低噪声放大、成形和波形数字化,在现场可编程逻辑门阵列(FPGA)芯片中实现了对信号过阈时间的实时测量,其量程为650 ns-10 ms,电子学时间分辨好于10 ns.在CSNS Back-n上开展实验,成功获得了中子束流剖面及10.65μs^10 ms范围的飞行时间谱,对应的中子能量范围约为0.16 eV-0.14 MeV.利用钽、钴等吸收体进行了中子共振吸收峰的检验,验证了读出电子学系统的功能及飞行时间测量的正确性.

基于FELIX的微结构气体探测器读出电子学系统设计

微结构气体探测器因其精度高、面积大等优点,在粒子物理实验中得到了非常广泛的应用.微结构气体探测器的未来应用将面临ASIC种类多、通道数多、数据量大等问题,给读出电子学系统的设计带来了很大的挑战,已成为微结构气体探测器进一步发展应用的瓶颈.FELIX系统具有数据带宽大、通道数多等特点,可很好解决这一问题.基于FELIX的电子学系统由完成探测器信号数字化的前端电子学模块、完成数据汇总的GBT模块、完成数据读出的FELIX系统、完成数据处理的数据处理终端组成,可完成10240路半数字通道读出或4096路模拟通道读出.该系统与Micromegas探测器一起实现宇宙线径迹探测,验证了该系统的通用性和兼容性,为微结构气体探测器的应用需求提供了一个通用的解决方案.

红外读出电子学部件(SPIE Vol.1684)

国际照相与光学工程师协会于1992年召开了题为“红外读出电子学部件”的专题会议,会后出版了该次会议的会议录,现将该次会议的论文题目介绍如下:

针对SiPM探测器的多通道读出电子学设计

硅光电倍增管（SiPM）由于其高增益、高时间分辨、低工作电压、磁场不敏感等优点,在高能物理、医学物理等领域具有广泛的应用前景。该文设计的系统包含前端电子学和数据采集系统两部分：前端电子学板结合商用专用集成电路（ASIC）（VATA64）与复杂可编程逻辑器件（CPLD）,能够同时读出64通道的SiPM,板上同时集成了稳定探测器增益的温度补偿电路和标定增益的发光二极管（LED）驱动电路;数据采集系统以现场可编程门阵列（FPGA）为核心,可以同时读出8块前端电子学板,并为SiPM提供编程可控的工作电压（40-100V）。该系统已经应用于由瑞士、德国、美国和中国合作的正负电子气球谱仪（PEBS）实验的电磁量能器原型设计,并在欧洲核子中心（CERN）束线实验取得了良好的结果。该高密度多通道SiPM电子学读出系统可以逐通道调节探测器偏压,调节精度达4mV,调节后各通道增益的差异可小于2%。该系统对于其他SiPM在新型粒子径迹室或量能器的应用具备借鉴意义。

缪子探测器位置灵敏读出电子学系统研制

缪子探测具有探测范围广、适用领域宽等优势,但野外探测等需求对其小型化、低功耗、扩展性等提出了挑战。以硅光电倍增管(SiPM)和闪烁体为主要元器件,研制一套缪子探测器的核心系统——位置灵敏读出电子学系统。开展系统整体结构设计,将系统划分为前端采集板、数据处理板、主控板以及电源板。数据处理板在系统功能逻辑处理中起到核心作用,通过降噪、校时、温度读取、温度电压转换、数据成帧、数据发送等模块化、流程化设计,实现信号数字化甄别、稳压补偿、数据上报等功能。经实测,该系统实现了双层共400路通道信号数据稳定读出,温度电压曲线图的温度系数为0.021,与SiPM偏压随温度变化的规定值0.0215 V/相差不大,较好实现了环境温度补偿。系统实现了小型化、易扩展性、实用性强等需求,为缪子探测任务提供了一种灵活的解决方案。

针对位置灵敏涂硼稻草管中子探测器的读出电子学设计

涂硼稻草管中子探测器将替代3 He管探测器应用在清华大学微型脉冲强子源(CPHS)小角散射谱仪上。该文设计了针对该新型位置灵敏中子探测器的读出电子学系统,通过分析探测器和前端电路的噪声,得出了位置分辨率的估算方法,并结合根据探测器输出信号特征优化了电路参数。对1.0m长的涂硼稻草管及其读出电子学系统分别进行了电荷注入测试和中子束流测试,位置分辨率的测试结果分别为2.7mm和4.5 mm。实验结果表明:涂硼稻草管及其读出电子学系统的性能可以满足CPHS小角散射谱仪对中子位置测量的需求。

基于ASIC+ZYNQ架构的多通道读出电子学逻辑设计

射线探测、粒子探测技术在天体物理学科中的应用日渐广泛,伴随着高性能、低功耗、并发探测规模等标准的提升,对读出电子学逻辑设计提出了更高的要求。设计了一种基于ASIC+ZYNQ架构的多通道读出电子学逻辑设计方案。ASIC的高集成度减小了系统体积,降低了系统功耗,保障了多通道采集的良好一致性;ZYNQ的PL端具有并行处理能力,有效满足了多通道同步读出数据的需求;片内AXI-DMA高速总线以及千兆以太网接口保障了并行数据的汇总和实时上报。仿真与测试验证表明,系统能够对多通道数据进行读出,噪声基线为35~65 mV,较好满足了设计需求,具备灵活的扩展能力,对类似探测器读出系统设计具有一定的参考价值。

大亚湾中微子实验RPC电子学读出系统时钟分配插件的设计

介绍了大亚湾(Daya Bay)反应堆中微子振荡实验RPC探测器电子学系统中时钟分配插件的设计,包括了其硬件结构的设计和插件中FPGA芯片固件逻辑的设计。在制作和调试完成之后进行了相关功能和稳定性的测试。

微网探测器电子学噪声测试

引言:研究无中微子双贝塔衰变现象的PandaX-III实验使用科大提供的通用读出电子学进行数据采集工作。实验中使用在原子能院为PandaX-III实验建立的探测器测试平台中测试电子学与bulk Micromegas(微网探测器)连接的噪声水平,测试给出了在调试探测器的过程中降低噪声的一些方法以及所有通道RMS(均方根偏差)分布图。实验表明电子学信号RMS平均值在9ADC。等效噪声电荷为0.23fC,满足设计需求。PandaX-III实验设计的电子学系统在噪声采集方面工作正常,为下一步使用电子学测试探测器坏道分布,增益均匀性等性能参数的测量创造了良好的使用条件。