面向微结构气体探测器的可扩展读出电子学系统研究

摘要

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 PatternGas 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，目前探测器技术已取得长足的发展，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 fC，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。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 气体探测器的历史沿革

1．2 微结构气体探测器

1．2．1 微结构气体探测器原理

1．2．2 微结构气体探测器主要性能

1．2．3 微结构气体探测器的应用

1．3 微结构气体探测器读出电子学现状

1．4 本论文研究内容及结构安排

参考文献

第2章 气体探测器读出电子学系统调研

2．1 北京谱仪主漂移室电子学系统

2．2 美国SBS谱仪读出电子学系统

2．3 CERN可扩展读出电子学系统

2．3．1 可扩展读出电子学系统架构

2．3．2 可扩展读出电子学系统部件

2．3．3 可扩展读出电子系统的应用

2．3．4 可扩展读出电子系统衍生的通用读出电子学系统

2．4 工业化的可扩展读出电子学系统

2．4．1 ATCA简介

2．4．2 工业化可扩展读出电子学系统架构

2．4．3 工业化可扩展读出电子学系统部件

2．5 本章小结

参考文献

第3章 可扩展读出电子学原型系统

3．1 可扩展读出电子学系统整体架构

3．1．1 系统各模块设计方案

3．1．2 系统电源方案

3．1．3 通用连接器

3．2 SRS原型系统的实现

3．2．1 机箱设计

3．2．2 前端ASIC卡

3．2．3 适配卡Adapter

3．2．4 FEC卡

3．3 本章小结

参考文献

第4章 可扩展读出电子学原型系统测试

4．1 测试参数和目的

4．2 兼容性能测试

4．2．1 VA140-SRS电子学测试

4．2．2 AGET-SRS电子学测试

4．3 可扩展性能测试

4．3．1 数据采集单元传输速率测试

4．3．2 功耗测试

4．4 电子学系统和探测器联调测试

4．4．1 二维读出Micromegas探测器

4．4．2 联调测试实验装置

4．4．3 噪声测试

4．4．4 狭缝成像测试

4．5 本章小结

参考文献

第5章 总结与展望

5．1 总结与展望

5．2 论文创新点

附录

致谢

在读期间发表的学术论文