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)×10~6 s~(-1),系统运行稳定,受噪声干扰小。     

微结构气体探测器多通道高速读出系统研制

本文设计并实测了用于多通道微结构气体探测器信号读出的512通道电子学系统。该系统以Spartan-6 FPGA作为控制和数据处理核心，使用4通道ADC芯片对4片APV25芯片的输出信号进行同步模数转换，经千兆以太网发送命令和传输数据，计算机端则以双线程分别接收和发送数据。实测输入电容低于200 pF时，系统噪声低于2000e，有效电荷输入范围为±20 fC，12 fC以下时线性良好。经长时间测试，系统稳定可靠，千兆网数据传输速率可达940 Mb/s。单片APV25工作时，连续触发率可达APV25上限285 kHz，4片时则为134 kHz。在实际应用于GEM探测器α射线成像实验中取得了较好的成像结果。     

STCF RICH原型探测器的测试电子学系统构建与联调测试

环形成像切伦科夫（RICH）探测器作为超级陶粲装置（STCF）带电强子(π/K/p)鉴别的技术选项之一，采用厚型气体电子倍增器+微网格气体（THGEM+Micromegas）混合探测器结构以实现对切伦科夫光的探测。针对RICH原型探测器的信号读出，构建了一套1 024通道测试电子学系统，并与探测器进行了联合测试。该测试电子学系统使用高密接插件与RICH原型探测器进行连接，探测器输出信号通过测试电子学系统上的AGET和ADC芯片进行放大、成形和波形数字化，输出的数据经FPGA处理后通过千兆以太网传输至后端PC并进行数据分析。测试结果表明，在120 fC输入动态范围下，系统的等效噪声电荷（ENC）小于0.3 fC，且具有良好的输入-输出线性。该系统成功应用于RICH原型探测器切伦科夫成像束流实验中，并取得了良好的切伦科夫光成像结果。     

CSNS工程GPPD谱仪主探测器读出电子学的研制

中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source,CSNS)工程通用粉末衍射谱仪(General Purpose Powder Diffractometer,GPPD)采用闪烁体探测器作为主探测器。为满足谱仪的设计需求,读出电子学系统要求在实现高达数千通道数据读出的同时,完成高精度的中子探测。基于设计目标,以及进一步提高读出系统的集成度和灵活性,读出电子学系统采用了"子板+母板"的架构。前放子板采用专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit,ASIC)实现探测器输出信号的放大、成形、甄别等模拟调理;母板固件采用了多级流水线机制的设计方法,在保证数据并行性和可靠性的同时,进一步减小了数据处理的死时间,实现数据的采集打包、缓存等处理,最终数据通过千兆以太网传到后端数据处理系统,便于数据的分析处理。对设计实现的读出电子学系统的评估测试结果表明:最小时间分辨11 ns,单通道计数率200 K?s-1,各项指标均好于设计目标。目前所有读出电子学单元已部署到GPPD工程现场并长期稳定运行,为谱仪顺利开展实验提供了可靠保证。     

GEM探测器高速数据采集系统设计

介绍了基于以太网的GEM探测器高速数据采集系统的设计。该系统将GEM探测器输出的电荷信号转换为数字信号并写入FPGA进行分析和处理,处理后的数据通过千兆以太网进行传输。主机电脑接收以太网传输的电荷信号的位置信息,绘制电荷信号的位置分布图。实验测试表明:该系统能检测到探测器输出的位置信息并绘制出X射线信号的位置分布图。     

CSNS多丝正比室读出电子学

中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source,CSNS)中的多功能反射谱仪采用二维多丝正比室探测器(Multi-Wire Proportional Chamber,MWPC)来获取入射中子的位置信息。本文介绍了一种结构简单的MWPC位置读出方法。该方法采用挪威IDEAS公司的64通道电荷灵敏专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit,ASIC)VA64tap2.1,克服了传统方法硬件复杂、功耗大、成本高的缺点。另外,系统可通过测量阳极电荷量区分中子和γ射线,提高测量精度。在现有条件下对读出系统进行测试,测试结果表明:系统能完成读出任务,且所选ASIC芯片功耗低(每通道0.3 m W)、噪声小(0.35 f C)、动态范围大(-200–+160 f C)、集成度高(单片64通道),可用于MWPC探测器的位置读出。     

STCF RICH原型探测器的测试电子学系统构建与联调测试

环形成像切伦科夫(RICH)探测器作为超级陶粲装置(STCF)带电强子(π/K/p)鉴别的技术选项之一,采用厚型气体电子倍增器+微网格气体(THGEM+Micromegas)混合探测器结构以实现对切伦科夫光的探测。针对RICH原型探测器的信号读出,构建了一套1 024通道测试电子学系统,并与探测器进行了联合测试。该测试电子学系统使用高密接插件与RICH原型探测器进行连接,探测器输出信号通过测试电子学系统上的AGET和ADC芯片进行放大、成形和波形数字化,输出的数据经FPGA处理后通过千兆以太网传输至后端PC并进行数据分析。测试结果表明,在120 fC输入动态范围下,系统的等效噪声电荷(ENC)小于0.3 fC,且具有良好的输入-输出线性。该系统成功应用于RICH原型探测器切伦科夫成像束流实验中,并取得了良好的切伦科夫光成像结果。     

基于塑料闪烁体光纤阵列的中子探测系统设计

为了能探测高能中子，获得中子能谱信息，设计了一套基于塑料闪烁体光纤和多路复用技术的中子探测系统。利用梯度尺寸结构的阵列化探头感应中子入射的能量和方向。多路复用数据采集及读出单元接收探测器输出信号并产生触发信号，经处理后上传给上位机。数据采集及读出系统通过以太网实现实时通信。上位机程序基于LabWindows/CVI软件平台开发，实现数据读取与保存以及采集系统运行状态参数信息的实时显示。通过中子模拟源进行了现场测试，结果表明，设计的中子探测系统满足设计要求，能实现中子能量与入射方向的测量。     

基于AGET芯片的MPGD探测器前端电子学设计

本文介绍了一种基于AGET芯片的微结构气体探测器前端电子学系统。该系统采用模块化结构,单个模块具有4片AGET芯片,可同时接收256路探测器信号;通过多个模块并行工作,可处理更大规模的探测器通道。该系统具有多通道、高集成度、低噪声和可扩展等优点,可适应微结构气体探测器等的读出需求。经电子学测试,该系统在不同动态范围,不同达峰时间的积分非线性均小于2%,等效噪声电荷小于1 700 e。     

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55Fe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。     

PandaX-nT暗物质探测实验读出电子学预研系统的研制

PandaX-nT升级对电子学系统提出了诸多新的挑战，如更多的通道数、高速高精度的波形数字化、灵活的触发算法和更高的数据带宽要求等。本文介绍一种为未来PandaX-nT暗物质直接探测升级实验预研的读出电子学系统。该电子学系统主要由前置放大电路模块、波形数字化模块（FDM）、数据获取模块（DAQ）和时钟分发模块等组成。FDM集成8路14 bit@ 1 GS/s ADC，具有较高集成度，可实现对探测器信号波形数字化，并通过光纤与DAQ通信。DAQ可汇总多块FDM数据，实现全数字化的触发算法，并通过基于TCP协议的千兆以太网与计算机通信，保证了数据传输的可靠与稳定。目前已完成了整个读出电子学系统设计，并对整个电子学系统进行了功能验证，以及与探测器进行了初步的联合测试。整个电子学系统具有较高的可扩展性，并能实现更复杂的触发算法，能满足下一代升级的需求。     

高精度时间测量系统的网络读出设计与实现

设计了一种基于网络读出的多通道时间测量控制系统。该系统基于FPGA实现1 Gigabit以太网TCP服务端关键协议的逻辑设计,用于系统时间测量数据的高速传输,对于当前TOF时间测量电子学系统读出具有借鉴意义。通过对本时间测量系统进行性能分析和网络传输测试,实验结果表明:系统单通道时间测量精度好于22 ps,该1 Gigabit以太网TCP逻辑设计传输性能可达600 Mbps。     

磁质谱仪离子收集器数字化读出系统的研制

研制了一个用于磁质谱仪法拉第筒阵列离子收集器的高精度数字化读出系统，实现对离子束中离子成分的分析与诊断。数字化读出系统由前端处理电路和数据获取模块组成，前端处理电路采用门控积分器将418通道微弱电荷信号转换为电压信号，数据获取模块将电压信号数字化后，通过以太网接口将数据上传到远程上位机。该读出系统实现了电荷范围为0.1~120 pC的数字化读出，非线性误差小于1.95%（全量程）。现场应用测试结果表明，该数字化读出系统完全满足实验需求。该系统还可广泛用于核物理实验和加速器系统中微弱电流或电荷信号的测量。     

A real-time data transmission method based on Linux for physical experimental readout systems

In a typical physical experimental instrument, such as a fusion or particle physical application, the readout system generally implements an interface between the data acquisition (DAQ) system and the front-end electronics (FEE). The key task of a readout system is to read, pack, and forward the data from the FEE to the back-end data concentration center in real time. To guarantee real-time performance, the VxWorks operating system (OS) is widely used in readout systems. However, VxWorks is not an open-source OS, which gives it has many disadvantages. With the development of multi-core processor and new scheduling algorithm, Linux OS exhibits performance in real-time applications similar to that of VxWorks. It has been successfully used even for some hard real-time systems. Discussions and evaluations of real-time Linux solutions for a possible replacement of VxWorks arise naturally. In this paper, a real-time transmission method based on Linux is introduced. To reduce the number of transfer cycles for large amounts of data, a large block of contiguous memory buffer for DMA transfer is allocated by modifying the Linux Kernel (version 2.6) source code slightly. To increase the throughput for network transmission, the user software is designed into formation of parallelism. To achieve high performance in real-time data transfer from hardware to software, mapping techniques must be used to avoid unnecessary data copying. A simplified readout system is implemented with 4 readout modules in a PXI crate. This system can support up to 48 MB/s data throughput from the front-end hardware to the back-end concentration center through a Gigabit Ethernet connection. There are no restrictions on the use of this method, hardware or software, which means that it can be easily migrated to other interrupt related applications.     

Switchless event building farm for the belle data acquisitionsystem

We designed a switchless event building farm for the Belle experiment at the KEKB e⁺e^- collider, as a replacement of the existing event builder and the online farm systems. In the new system, PCs are directly interconnected with multiple point-to-point Fast and Gigabit Ethernet connections. The PCs build the detector data in two steps to perform distributed event processing. We set up a test system and confirmed the event building performance meets our new requirements using a realistic prototype software. The system is being installed as scheduled using the summer shutdown time in 2001     

The Development of the New Data Acquisition System Without Hardware Trigger for the Super-Kamiokande Experiment

An online system of the underground neutrino detector, Super-Kamiokande is scheduled to be upgraded in 2008 together with front-end electronics. This detector consists of 50 000 tons of pure water equipped with about 13 000 photo-multipliers (PMTs) to detect Cherenkov light. The new online system is required to accept the dataflow of up to 800 MB/s from the front-end electronics and process them for the offline analysis. We will utilize a Gigabit Ethernet network and parallel data processing to handle this large amount of flow. In the new data acquisition scheme, we will not use a hardware event-trigger but read out every hit data from the front-end electronics and process them by the online farm. Therefore, there is no threshold of the number of PMT hits and the detector will become more sensitive to important cosmic-ray events such as relic neutrino from supernova and low energy solar neutrino. In addition to that, a dead-timeless system is desirable for the continuous measurement 365 days a year. In this paper, the detailed design of the upgraded online system and testing activities using prototypes will be described.     

基于FPGA的高性能坎贝尔积分算法研究

为满足国际热核聚变实验堆的宽量程中子通量测量需求，设计了基于FPGA和交流耦合平方积分的高性能数字化坎贝尔积分算法，拥有更强γ抑制能力的同时将中子甄别系统的测量范围从10⁵ s^-1提高到10⁸ s^-1。结合²³⁵U裂变室及坎贝尔测量原理研究了数字化坎贝尔积分算法，通过仿中子脉冲实验分析了脉冲甄别计数算法和坎贝尔积分算法重叠区域的工作性能，并得出坎贝尔积分算法在不同噪声下的适用条件，从而保证测量相对误差小于5%。使用基于该算法的测量系统在HL-2A进行了现场实验，对照脉冲甄别计数算法的测量结果进行标定，二者一致性非常好，在测量重叠范围内线性系数达0.97。