像素探测器高带宽数据获取系统设计

为适应硅像素探测器研制的需求,设计了硅像素探测器高带宽数据获取系统。该系统针对硅像素探测器高数据的特点进行了设计与优化,实现了单机高速稳定读出的数据获取目标,最高读出带宽可达到686MB/s,同时提供了控制、监测以及实验图像的实时抽样显示等功能。     

CMOS硅像素探测器测试系统设计

针对环形正负电子对撞机(CEPC)最内层的顶点探测器而研制的CMOS硅像素探测器已经提交首次流片。为了采集探测器的数据进而研究前端芯片的性能,基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)设计高速数据传输的测试系统,该系统以PCI Express总线模式进行高速传输数据。对系统性能的测试表明:数据传输速度能达到6Gb/s,传输的数据量和误码率性能均满足CMOS硅像素探测器芯片的测试要求。     

用于同步辐射硅像素探测器的高速数据传输模块研究

文章概述了硅像素探测器特点及其重要性,介绍了测试系统中基于FPGA的光纤转USB3.0高速数据传输板的设计,包括整体结构,各模块具体实现方式以及硬件电路设计和部分软件设计。测试结果表明,该项目设计的数据传输板解决了计算机接收光纤数据问题,实现了2.5 Gbps的稳定传输速度,提高了硅像素探测器数据采集系统的数据传输能力。     

硅像素探测器读出芯片的设计

针对应用在高能物理实验的硅像素探测器,设计了一种基于时间过阈技术的像素阵列读出芯片。芯片采用商用的130 nm CMOS工艺进行流片,共有30×10个像素单元,像素单元的面积为50 μm×250 μm。测试结果表明,像素单元电路的等效噪声电荷低于100e^-,积分非线性优于4.2%,基本实现了设计的功能。     

CBM-TOF超级模块高密度数据前端读出设计

为满足超级模块探测器质量评估的数据读出需求,设计了一种基于"三明治"结构的前端高密度数据读出方法。利用FPGA技术实现320通道时间数字化数据读出和自定义协议处理,并通过片内高速串行收发器与光纤进行长距离数据传输。在外部回环模式下的测试结果表明,6 Gb/s高速链路误码率小于10-13的置信度超过95%,接收TDC数据和自定义协议处理功能正常,系统连续稳定运行超过48 h,可满足探测器评估需求。     

基于电流模式的硅像素探测器前端读出ASIC设计

针对应用于同步辐射的硅像素探测器,设计了一种基于电流模式的像素型前端读出单元电路,像素单元电路主要包括电荷灵敏前置放大器、跨导放大器、电流甄别器、阈值调节电路和计数器等,实现了信号放大、电压转为电流、信号甄别以及计数等功能。芯片基于SMIC 0.13μm/1.2V CMOS工艺设计,像素单元面积为100μm×100μm,仿真结果表明:像素单元静态功耗为50μW,等效噪声电荷低于100e-,不一致性小于100e-,能量甄别范围为8 ke V~20 ke V,达到了预期设计目标。与电压模式的像素单元电路相比,具有结构简单、功耗低、芯片面积小以及抗干扰能力强的特点。     

基于APV25多通道读出电子学系统设计

介绍了基于APV25芯片的多通道读出电子学系统的设计方法,利用ASIC芯片与可扩展读出系统相结合,实现多通道信号的处理。在该系统中,基于PXI机箱的单个读出板可实现2 048路信号的读出及处理,并具有集成度高、低功耗、可扩展等优点。电子学测试结果表明,本系统电荷输入线性动态范围为0~12 fC,APV25等效输入噪声408 e,可适应大型物理实验微结构气体探测器、硅像素探测器等探测器的读出需求。     

BESIII硅像素探测器寻迹方法的初步研究

随着BESIII漂移室运行时间的增加,其老化问题日趋严重,各种升级替换方案也在研究过程中。论文对替换方案之一的硅像素探测器(SPT)的基本结构、探测原理和初步模拟工作进行了介绍。阐述了硅像素探测器的径迹重建算法的原理、算法的设计和开发。最后使用不同动量的单粒子径迹模拟事例对算法进行调试,并对匹配效率、重建性能和探测器物质量对算法的影响进行了检验和分析。     

CdZnTe像素探测器的制备与表征

本文采用CdZnTe单晶制成像素探测器,并对其能谱响应特性及均匀性进行了系统表征。通过I-V和能谱响应测试,测定了晶体的电阻率和载流子迁移率与寿命的积,并用红外透过显微成像观察了晶体内Te夹杂的分布特性。采用光刻、剥离和真空蒸镀技术,在CdZnTe晶片上制备了8×8的像素电极,用丝网印刷和贴片技术通过导电银胶实现像素电极与读出电路的准确连接,制备出CdZnTe像素探测器。对像素探测器的测试表明,-300V下单像素最大漏电流小于0.7nA,对241 Am 59.5keV的能量分辨率可达5.6%,优于平面探测器。进一步分析了晶体内Te夹杂等缺陷对探测器漏电流和能谱响应特性的影响规律,结果表明,Te夹杂的聚集会显著增加漏电流,并降低探测器的能量分辨率。     

双面硅条探测器读出系统设计

双面硅条探测器(DSSD)用于实现中国电磁监测试验卫星高能粒子探测器载荷的望远镜系统。为了实现DSSD读出电子学低功耗、高集成度的要求,设计了一种基于ASIC VA64TA2的电子学读出系统,使用²⁴¹Am 5.486 MeV α源对DSSD读出系统进行了测试。DSSD探测器结面分辨率为1%~2%,欧姆面分辨率为3%~4%,达到了探测器额定性能。     

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。     

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。     

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。     

暗物质实验网络读出数据获取软件设计

在ATLAS TDAQ框架的基础上,为暗物质实验开发了基于网络读出的数据获取软件。软件实现了高速数据读出,事例组装,数据波形零压缩和存盘等功能。论文最后对软件的运行情况进行了稳定性测试,软件的读出带宽可达到240MB/s,波形压缩比可达到150倍。     

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）×106 s^-1,系统运行稳定,受噪声干扰小。     

基于APV25读出电子学系统的GEM探测器的位置分辨与X射线成像研究

采用3层GEM膜制作了有效面积为10 cm×10 cm的GEM探测器,该探测器采用二维条读出方式,条间距为400 μm,每个维度有256个读出通道。探测器的读出采用APV25读出电子学系统,根据GEM探测器的需要,设计并改进了电子学系统使用的背板连接器。实验测得GEM探测器空间分辨为76 μm。进行了X射线二维成像研究,获得了清晰的二维图像,探测器与电子学运行稳定可靠。     

HIRFL-CSR外靶实验读出电子学预研系统

本文介绍了兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)外靶实验读出电子学预研系统的设计。该系统可实现TOF墙探测器、中子墙探测器、多丝漂移室(MWDC)等的读出。基于前沿定时及使用TOT技术分别进行时间和电荷测量,从而对前沿定时带来的时间-幅度游走效应进行修正。该系统基于工业智能仪器总线PXI进行设计,提高了数据传输带宽,并保证了系统的可扩展性。目前已完成基本单元模块的实验室电子学测试,以及与探测器的初步联合测试,验证了各项功能指标。     

基于波形采样的CEPC电磁量能器读出单元测试系统

随着环形正负电子对撞机(Circular Electron Positron Collider,CEPC)方案的提出,由硅光电倍增管(Silicon Photomultiplier,SiPM)和塑料闪烁体组成的读出单元作为电磁量能器的预研方案之一,逐渐成为研究热点。在探测器预研阶段需要对读出单元性能进行充分研究,因此我们设计了一套自动化测试系统用于对读出单元进行测试、分析并改善其性能。利用DT5751波形采样插件、SiPM驱动电路板、步进电机、低压电源、继电器等完成硬件搭建,以LabVIEW为开发平台完成了软件的串行协议接口之间的通信,实现了读出单元的自动化测试,编写了相应的数据处理程序。在此基础上进行了SiPM刻度、闪烁体发光均匀性以及反射材料对光输出影响的研究。测试结果表明,ESR反射膜包裹的塑闪条具有最高的光输出,塑闪条耦合10μm像素SiPM的光输出为耦合25μm像素SiPM的三分之一。     

高密度塑料闪烁体探测器的数据获取系统设计

由中国科学院近代物理研究所承担的塑料闪烁体探测器研究项目,其目标是开展空间粒子探测、重构入射电子轨迹、区分电子和光子、鉴别重离子。为配合该探测器测试工作,设计了一套完备的数据获取电路(DAQ)与上位机软件。DAQ接收4块前端电子学(FEE)板的数据,可完成360路电子学通道的数据读出;接收上位机的控制命令并分发给各FEE;接收探测器的击中信息并产生触发信号;接收FEE的遥测数据并传给上位机。该DAQ与上位机通过USB总线和RS232总线实现实时通信。上位机软件基于LabWindows/CVI软件平台开发,实现对FEE电子学系统的控制、数据读取与保存,以及FEE系统运行状态参数信息的实时显示。该数据获取系统电路结构紧凑、功能完善,上位机软件具有良好的人机交互界面。经现场实际运行,DAQ与上位机软件满足设计要求,目前已成功应用于塑料闪烁体探测器读出电子学测试系统。     

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。