面向微结构气体振探测器的可扩展读出电子学系统研究

发布时间：2020-11-09 12:31

　　 近二十多年来,以微网结构气体探测器(Micromegas)和电子倍增器(GasElectron Multiplier,简称GEM)为典型代表的微结构气体探测器(Micro Pattern Gas Detector,简称MPGD)得到长足发展。因其良好的时间和空间分辨率、高抗辐照能力、高事例率、高增益和可制作成大面积探测器等优点,在高能物理实验、核医学成像、安全监测、以及空间天文等领域得到广泛研究和应用。不同的应用场合对MPGD探测器的读出电子学提出了不同的要求(比如通道数规模、计数率、抗辐照能力、测量精度不同等),基于这些多样化的需求,国内外研发了许多可应用于MPGD的ASIC芯片,并设计了配套的读出电子学系统。在MPGD探测器领域,目前探测器技术己取得长足的发展,而相应的电子学则相对滞后,成为制约新型气体探测器研究和应用的瓶颈。国际上在研发MPGD探测器的同时也发展了相关电子学,开发出了多款针对不同实验需求的前端ASIC芯片,如APV25、 VA系列芯片、AGET、VFAT2、 GASTONE、 MICROROC等,也发展了通用可扩展读出电子学系统(Scalable Readout System,简称SRS)和多目标读出电子学系统(Multi-Purpose Digitizer,简称MPD)等,用来适应不同探测目标和规模的气体探测器。国内紧跟国际步伐,也研制出了性能优越的Micromegas、 GEM等MPGD探测器,但配套电子学却落后于国际水平。虽然国内的清华大学、中国科学院高能物理研究所等单位已开展了多年的ASIC设计研究,已设计了针对气体探测器的读出芯片如CASAGEM、 GEMROC、 GEMPROC等。但是,基于不同ASIC芯片,能适应不同探测目标和不同实验规模的可扩展、通用读出电子学系统的研究,仍然处于起步阶段。立足于MPGD探测器的广阔应用前景,以及国内可扩展、通用读出电子学系统研究的欠缺,本论文调研了国内外气体探测器领域典型的读出电子学系统,主要包括基于分立元器件搭建前端电路的北京谱仪主漂移室读出电子学系统、基于ASIC芯片的MPD读出电子学系统、欧洲核子研究中心(CERN)的可扩展读出电子学系统(SRS)和工业化的可扩展读出电子学系统(ATCA-SRS)等。在重点参考RD51小组提出的可扩展电子学设计理念的基础上,借鉴国外通用读出电子学系统设计经验,本论文研究设计了一套面向MPGD探测器的兼容性强、可扩展的通用读出电子学原型系统(SRS原型系统)。该原型系统既可兼容多种ASIC芯片从而适应不同的气体探测器,又可通过灵活配置电子学模块的数量和结构,来适应不同通道数规模的实验需求。该SRS原型系统主要由：三类电路模块组成,前端ASIC卡、适配卡(AdapterCard)和FEC卡(Front-End Card)。前端ASIC卡上装载有多通道电荷测量ASIC芯片用于接收探测器的输出,适配卡Adapter通过PCIe连接器和FEC卡相连将前端ASIC芯片的输出经过模-数转换后传输给FEC卡上的FPGA做进一步处理并传输到上位机。通过配置PCIe连接器,FEC卡可以兼容控制基于不同ASIC芯片的前端ASIC卡和相应适配卡的工作状态,从而适应不同探测目标实验的需求,拓宽SRS系统的应用前景：单块FEC卡连接适配卡Adapter,控制N块前端ASIC卡(N取决于具体设计)的工作状态和接收它们的数据,称为一个数据采集单元(DAQ Cell)。数据采集单元的控制卡FEC通过以太网接口组成拓扑结构,伸缩扩展数据采集单元的数量,可以满足不同规模通道数MPGD探测器实验的需求。该SRS原型系统采用VA140、AGET和APV25芯片验证系统的兼容性和可扩展性设计理念。目前已设计的基于VA140和AGET芯片的SRS原型系统性能良好,VA140-SRS和AGET-SRS的电子学噪声分别为0.15 fC和0.3 f℃,线性性能均好于1.5%。配合Micromegas探测器的联调结果表明,SRS原型系统能够满足MPGD探测器需求：所设计Eurocard标准机箱和选用的AC/DC电源模块,使单个机箱可以组装17个数据采集单元。对于VA140-SRS,单个机箱可实现8704路电子学通道；对于AGET-SRS,单个机箱可实现4652路电子学通道。本论文所设计的SRS原型系统,不仅可应用于MPGD探测器,还可推广到硅微条、硅像素探测器等其他应用领域。并且,该SRS原型系统还能被移植到ATCA机箱,实现SRS系统的工业化设计,进一步提高系统性能,实现更广泛和更大规模的应用。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TL81
【部分图文】：

??广泛。盖革计数器需要配套电子计数器的支持才能完成粒子探测，如图１．１所??示。多个盖革计数器排成阵列工作，可用于粒子的位置灵敏探测，精度约为１?ｃｍ，??取决于计数管本身的物理尺寸；１９３７物理学家席勒使用它测定了宇宙射线的角??分布。需要照相技术支持的早期气体探测器比较多，包括云室内和气泡室Ｗ及火??花室和流光室等。这些气体径迹探测器利用带电粒子经过介质时留的持性轨迹，??通过照相技术保存带电粒子的径迹并采用特殊测量器具分析径迹曲线的方向、弯??曲程度和长短等特点来推算入射粒子的属性。科学家使用云雾室分别于１９３２年??和１９％年发现正电子和４介子，又于１９５４年用气泡室发现了?２：０超子，１９６１年??用火花室发现４中微子等口］；上世纪５０年代我国科学家利用气泡室发现了反乙－??超子口］。??ｎｉｉｉｒｉｊｉ?＇?ＩＩ?Ｉ?…?ＨＩＰＰ?郑＂ｒ．砰??气泡室??麵Ｈ??火花室?发規击审寻的照方＾??图１．１早期气体探测器和粒千巧迹照片示例．??１９６８年ＣＥＲＮ的恰帕克在正比技术管的基础上发明了多丝正比室（ＭＷＰＣ）??使气体探测器发生了革命性变化，步入了位置灵敏的时代巧］。ＭＷＰＣ结构如图??１．２所示，两块阴极平面相距几厘米，中间由大量阳极平行细丝组成、细丝直径??约为０．１?ｍｍ、间距为毫米量级，探测器工作在正比区。当入射粒子穿过探测器??时

２０世纪８０年代末，伴随着读出电子科学技术的蓬勃发展，迎来了气体探测??器发展的崭新阶段，涌现出了一批具有创新结构的新型气体探测器，统称为微结??构气体探测器（ＭＰＧＤ）［１０］。如图１．３所示，按照结构划分，微结构气体探测器??分成两大类：基于微网结构的ＭＰＧＤ和基于微孔结构的ＭＰＧＤ［１０］。基于微网??结构的?ＭＰＧＤ?包括?Ｍｉｃｒｏｍ巧ａｓ，?Ｂ山ｋ?Ｍｉｃｒｏｍ巧化?Ｍｉｃｒｏｂｕｌｋ?Ｍｉｃｒｏｍ巧ａｓ?和??ＩｎＧｒｉｄ等探测器：基于微孔结构的ＭＰＧＤ探测器包括ＧＥＭ、ＴＨＧＥＭ、ＲＥＴＧＥＭ、??Ｍｉｃｒｏ－Ｈｏｌｅ和Ｈ－ＮＣ等探测器。和气体探测器ＭＷＰＣ相比，ＭＰＧＤ的探测器结??构更科学合理，具有更好的时间和空间分辨率、更高的抗福照能力、更高的事例??率、更高的增益、Ｌ：；、及更好的稳定性等优点，可适应现代粒子实验的需求。此外，??ＭＰＧＤ在空间天文、医学成像和工业等领域也得到广泛研究和应用［１１］。２００８年，??３??ｉ??

［．．＇■！?Ｉ．Ｉ．．：?１．?，?：．ｒ＇．’；，＇ｊ?忠?扯＿??图１．４左图为ＭＷＰＣ探测器结构和电场图：右图为ＭＳＧＣ探测器结构和电场图．??１．２．１微结构气体探測器原理??ＭＷＰＣ受到结构的限制，如图１．?４左固所示，其丝间距小于１?ｍｍ就很难制??作，空间分辨率无法进一步提高；并且其电子雪崩放大过程发生在阳极丝附近，正??离子漂移到阴极的过程需要花费大量时间导致空间电荷效应显著，计数率一般为１〇４??ｍｍ－Ｖｉ，无法进一步提高巧］；这样的空间分辨率和计数率已经无法满足现代粒子物??理实验室的需求。而对于早期的微结构气体探测器ＭＳＧＣ?（微条气体探测器），如??图１．４右图所示．阳极条和阴极条在一个平面上且离的很近
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本文编号：2876436