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。     

基于数字后处理算法的并行交替采样ADC系统

为了在现有的模/数转换(ADC)芯片的技术条件下提高模/数转换系统的性能,在并行交替采样系统失配误差修正算法的基础上,研制了8-bit 4-Gsps并行交替采样ADC系统.该系统中4个1-Gsps ADC通道并行采样同一模拟信号;以锁相环和可调延迟线芯片为核心,组成低jitter,低skew的多相时钟产生电路,为各ADC逼连提供交替采样时钟;在FPGA芯片双倍速I/O和内部集成锁相环的支持下,使用单片FPGA芯片接收ADc系统产生的高速并行数据,并完成数据同步、重排和缓存,通过USB接口读出.基于模拟数字混合滤波嚣组的数字后处理算法修正了各ADC通道间的增益、偏置和采样间隔三种失配误差.测试结果表明,该并行交瞽采样ADC系统在4-Gsps采样率下,对200 MHz与803 MHz正弦波信号分别达到6.89 b与5.81 b的ENOB以及51.81 dB和S1.13 dB的SFDR,接近ADC芯片手册给出的性能.     

BESⅢ TOF子触发系统击中信息多通道串行同步传输方法

为了获得抗干扰、抗辐射能力强的远距离数据传输,在第三代北京谱仪BESⅢ工程的TOF前端电子学与TOF子触发系统之间采用了光纤传输方案。同时为了节省空间,在发送端对并行数据进行并串转换然后传送串行数据。然而接收端串并恢复的过程中会存在每次上电同步后转换延时不确定性的现象,从而导致了串并转换恢复数据/时钟的摇摆问题。在探讨现象本质的基础上,结合FIFO的同步功能,提出了可以广泛适用的系统同步法以及一种适用于目前数据传输方案的简便同步方法,成功地实现了多通道并串/串并转换数据的串行同步传输。     

基于NINO芯片的TOT读出电子学系统的研究

介绍了CERN设计的一款基于过阈时间法(Time-Over-Threshold)的ASIC芯片——NINO,并列出了一些基于NINO芯片设计的测试板的测试结果,用于评估该芯片在BES III端盖TOF升级及在中子管位置灵敏探测器中的位置测量中应用的可能性。NINO芯片8通道高度集成,对实验电路板的设计和测试表明,其噪声抖动低(前沿噪声抖动约5.1 ps),可以满足TOT方法中高精度时间测量的要求。     

基于USB接口的多通道准高斯型脉冲信号发生器设计

设计了一种基于USB接口可编程的16通道准高斯型脉冲信号发生器。利用高速模拟开关电路产生模拟脉冲信号,DAC用于调节脉冲信号的幅度,RC网络以及运算放大器组成的成形电路决定脉冲信号的前后沿变时间,通过FPGA来编程控制模拟开关的通断和DAC的输出,利用USB接口实现PC机的通信和控制,最终输出16通道的准高斯信号。经测试,实现了预期的功能和要求,输出脉冲幅度大小可调,且各通道输出一致性很好,其积分非线性均小于0.7%,可用于大型粒子物理实验前端电子学的性能测试、校准检测等工作。     

Development of COTS ADC SEE test system for the ATLAS LAr calorimeter upgrade

Commercial off-the-shelf(COTS) ADCs(analog-to-digital converters) that are radiation-tolerant, high speed,high density and low power will be used in upgrading the LAr(liquid argon) calorimeter front end(FE) trigger readout electronics. Total ionization dose(TID) and single event effect(SEE) of the COTS ADCs should be characterized. In our initial TID test, 17 COTS ADCs from different manufacturers with dynamic range and sampling rate meeting requirements of the FE electronics were checked, and the ADS5272 of Texas Instruments(TI) was the best performer of all. Another interesting feature of ADS5272 is its 6.5 clock cycles latency, which is the shortest of all the 17 candidates. Based on the TID performance, we designed an SEE evaluation system for ADS5272, which allows us to further assess its radiation tolerance. In this paper, we present a detailed design of ADS5272 SEE evaluation system and show the effectiveness of this system while evaluating ADS5272 SEE characteristics in multiple irradiation tests. According to TID and SEE test results, ADS5272 was chosen to be implemented in the full-size LAr Trigger Digitizer Board(LTDB) demonstrator, which will be installed on ATLAS calorimeter during the 2014 Long Shutdown 1(LS1).     

一个雷达中频信号数字复解调系统的实现

在阐述数字复解词原理的基础上实现了一个基于专用芯片的数字复解词测试系统。对比模拟复解调，说明数字复解调的优越性以及它们的应用和发展前景。     

LHAASO水切伦科夫探测器阵列时钟原型系统

介绍了LHAASO WCDA读出电子学时钟原型系统的设计,分析了该时钟系统的设计原理,介绍了测试方法和测试结果.该原型系统基于精简的White Rabbit Project原理设计,主要包括时钟源插件、时钟发送插件和时钟接收模块3部分.对该原型系统的测试结果表明,时钟接收模块上两时钟通道之间的时钟偏差可以调整到＜80ps,时钟抖动＜40 ps,可满足LHAASO WCDA读出电子学设计需求.     

大动态范围闪烁晶体荧光模拟器的设计

针对暗物质粒子探测卫星(DMPES)锗酸铋(BGO)量能器探测单元的标定需要,设计了一种用发光二极管(LED)作为光源的闪烁晶体荧光模拟器。首先,利用光电倍增管(PMT)测量BGO晶体在宇宙线辐射下的荧光脉冲,对脉冲波形建模拟合,并将波形存储到可编程信号发生器中。然后,选择一种峰值波长与BGO晶体的荧光发射波长相近,且其光通量与工作电流的线性度较好的LED,设计LED驱动电路,令LED的工作电流与模拟器输入的模拟电压信号幅度成正比。最后,利用信号发生器输出模拟的BGO晶体荧光脉冲波形至驱动电路,使LED发光,并利用积分球将LED的荧光通过光纤均匀地输出到多个PMT。实验结果表明:模拟器光脉冲测试结果与对BGO晶体实际测试的结果相似,光强覆盖PMT的2,5,8个打拿极(Dynode)输出,动态范围达4.11×103倍,满足暗物质粒子探测卫星BGO量能器地面检测系统的需求。该荧光模拟器也可用于同类闪烁晶体探测器系统的检测和标定。