基于APV25芯片的GEM探測(cè)器讀出電子學(xué)系統(tǒng)的測(cè)試與改進(jìn)

胡守?fù)P，蹇司玉，周 靜，單 超，李興隆，李 霞，周 意，李笑梅,*

(1.中國原子能科學(xué)研究院 核數(shù)據(jù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102413；

2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 核探測(cè)與核電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230026)

氣體電子倍增器(GEM)[1]是近幾年由歐洲核子研究中心(CERN)發(fā)展起來的一種新型的高性能氣體探測(cè)器，具有優(yōu)異的位置分辨(百微米量級(jí))和良好的耐輻照、耐磁場性能等。目前GEM已成為新一代微結(jié)構(gòu)氣體探測(cè)器的主要發(fā)展方向，近年來在國際上得到迅速發(fā)展。在高能物理與核物理領(lǐng)域GEM有多方面的應(yīng)用前景，如位置靈敏射線探測(cè)器、中子照相、醫(yī)學(xué)生物學(xué)成像以及天體物理實(shí)驗(yàn)探測(cè)器等。中國在建的大科學(xué)裝置和參與的幾個(gè)大的國際實(shí)驗(yàn)合作探測(cè)器升級(jí)均將用到GEM探測(cè)器。

GEM探測(cè)器讀出電子學(xué)系統(tǒng)是GEM探測(cè)器十分重要的部分。電子學(xué)系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、整形、濾波、放大、模擬數(shù)字變換(ADC)[2]、數(shù)據(jù)處理等部分。在大型的探測(cè)器實(shí)驗(yàn)中，龐大的電子學(xué)系統(tǒng)易造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。然而，面積越大、分辨率越高的探測(cè)，越需要多的電子學(xué)通道。如何制造出低成本、高性能、體積小、干擾小、防輻射的優(yōu)秀電子學(xué)讀出系統(tǒng)，具有非常重要的意義。讀出電子學(xué)芯片APV25[3]具有集成度高、體積小、通道多等優(yōu)點(diǎn)。每塊芯片可并行處理128路探測(cè)器原始數(shù)據(jù)。芯片采用模擬讀出系統(tǒng)，相對(duì)于數(shù)字系統(tǒng)較為復(fù)雜。采用模擬讀出需采用模擬管道進(jìn)行事件的緩沖而不是采用簡單的數(shù)字寄存器。同時(shí)，模擬讀出方式也對(duì)探測(cè)器的數(shù)據(jù)傳輸媒介提出了更高的要求，因?yàn)槟M信號(hào)遠(yuǎn)比數(shù)字信號(hào)更易受到衰減和噪聲的影響。然而，采用模擬讀出系統(tǒng)能獲得更好的物理性能。本文采用讀出電子學(xué)芯片APV25進(jìn)行讀出系統(tǒng)調(diào)試，以獲得系統(tǒng)在40 MHz和20 MHz工作頻率下的理想數(shù)據(jù)。并對(duì)軟件配置進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)硬件進(jìn)行改進(jìn)，以降低噪聲水平，提高信噪比。

1 APV25芯片

APV25采用0.25 μm硅CMOS技術(shù)[4]，實(shí)現(xiàn)了多通道高精度探測(cè)器數(shù)據(jù)讀出。該芯片包含128路前置放大和整形，每組128路探測(cè)器通道的原始數(shù)據(jù)由APV25芯片并行地進(jìn)行采樣，并在芯片中對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，對(duì)信號(hào)脈沖進(jìn)行整形，之后將數(shù)據(jù)存放到模擬通道中。在收到觸發(fā)控制系統(tǒng)的觸發(fā)信號(hào)時(shí)，對(duì)模擬通道中對(duì)應(yīng)的信息進(jìn)行進(jìn)一步處理后，采用標(biāo)準(zhǔn)幀格式進(jìn)行多路復(fù)用輸出。

APV25芯片采用深亞微米CMOS工藝，因?yàn)槠涔逃械膬?yōu)勢(shì)，是第1個(gè)應(yīng)用在高能物理領(lǐng)域的核心集成電路。APV25除包含模擬電路外還包含數(shù)字電路，每個(gè)在CMOS設(shè)備中的邏輯門[2]包含1對(duì)N型和P型晶體管，在任何時(shí)刻，只有其中1個(gè)是導(dǎo)通的，僅在邏輯門處于數(shù)字邏輯狀態(tài)時(shí)才有電流消耗。這種設(shè)計(jì)有助于減少芯片的總功耗。

同時(shí)，小的特征尺寸使APV25電路適合在僅7.1 mm×8.2 mm的死區(qū)中，導(dǎo)致了高固有輻射公差。由于CMOS電子學(xué)的輻照損傷主要是由電離離子穿過柵極氧化物晶體管所產(chǎn)生的電子空穴對(duì)產(chǎn)生，當(dāng)電子迅速被內(nèi)部電場卷積時(shí)，空穴在氧化物中有很低的流動(dòng)性，一定比例的空穴被困在氧化物硅界面上，改變了晶體管的性能。而0.25 μm CMOS門氧化物很薄，使捕獲的正電荷可通過電子隧道效應(yīng)[5-6]中和，有助于保證APV25在超常輻射水平環(huán)境下仍能正常工作。

2 電子學(xué)系統(tǒng)及測(cè)試

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 電子學(xué)系統(tǒng)

圖1所示為電子學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。當(dāng)1個(gè)粒子穿過探測(cè)器時(shí)，探測(cè)器上施加的高壓產(chǎn)生一個(gè)電壓波動(dòng)，產(chǎn)生的這個(gè)波動(dòng)信號(hào)經(jīng)濾波器、甄別器與邏輯單元的處理轉(zhuǎn)換成合適的信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)輸送到多用途數(shù)字轉(zhuǎn)換器(MPD)[7]與VME[8]控制器。當(dāng)MPD收到觸發(fā)信號(hào)時(shí)，向APV25發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，相應(yīng)的管道被標(biāo)記以防止被重寫，直到它們被讀出。APV25芯片不斷地對(duì)探測(cè)器信號(hào)進(jìn)行取樣，保證在模擬管道中的數(shù)據(jù)是最新的。數(shù)據(jù)經(jīng)過模擬脈沖整形處理器(APSP)，在APSP中根據(jù)不同的工作模式對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。信號(hào)經(jīng)過模擬多路復(fù)用器轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)。隨后加上起始位、地址位、錯(cuò)誤標(biāo)記位信息，并轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)，經(jīng)APV25 I/O口輸出。APV25輸出的數(shù)據(jù)隨后進(jìn)入MPD，在其中完成對(duì)信號(hào)的解碼、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理。之后，經(jīng)處理的數(shù)據(jù)通過VME總線傳輸?shù)絍ME控制器，經(jīng)光纖最終傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理，完成1次數(shù)據(jù)的采樣。

在數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)運(yùn)行過程中，通過計(jì)算機(jī)完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的配置、控制與監(jiān)視。在計(jì)算機(jī)中設(shè)置好的配置信息經(jīng)光纖傳輸?shù)絍ME控制器中，隨后，VME控制器通過VME總線將配置信息傳輸?shù)組PD中。MPD根據(jù)相應(yīng)的配置信息設(shè)定系統(tǒng)的不同工作狀態(tài)，并通過HDMI-A線纜控制APV25芯片。HDMI-A線纜不但是MPD到APV25控制信號(hào)的橋梁，也是時(shí)鐘信號(hào)(差分)、觸發(fā)信號(hào)(差分)的傳輸通道。APV25采集得到的模擬信號(hào)經(jīng)HDMI-B線纜傳輸?shù)組PD。

MPD符合VME64X標(biāo)準(zhǔn)，采用了12位ADC[9]，采樣速率可達(dá)5×107s-1。每個(gè)MPD最多可容納16塊APV25前端卡。在電子學(xué)讀出系統(tǒng)測(cè)試中，GEM探測(cè)器未加高壓，粒子穿過探測(cè)器并未產(chǎn)生信號(hào)。所以，采用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖作為觸發(fā)信號(hào)，系統(tǒng)采集的是電子學(xué)噪聲而不是實(shí)際粒子信號(hào)。APV25數(shù)據(jù)經(jīng)MPD轉(zhuǎn)換，通過光纖傳入計(jì)算機(jī)。

2.2 采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與分析軟件均基于Linux系統(tǒng)。不同的系統(tǒng)和線路有不同的時(shí)鐘及延時(shí)。因此，每個(gè)系統(tǒng)需進(jìn)行延時(shí)和時(shí)鐘的校正。APV25采集得到的模擬信號(hào)經(jīng)模擬復(fù)用，傳輸?shù)組PD，為得到正確的數(shù)據(jù)，MPD也需按照相同的頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)的解析。如果APV25傳輸?shù)男盘?hào)與MPD的解析時(shí)間不匹配，就會(huì)造成信號(hào)的丟失，無法采集到正確的數(shù)據(jù)。同時(shí)，由于粒子信號(hào)上升沿具有重要的意義，所以，需調(diào)整觸發(fā)信號(hào)與粒子到達(dá)之間的配合時(shí)間，使系統(tǒng)恰好采集到該粒子產(chǎn)生信號(hào)的上升沿。因此，也要適當(dāng)改變信號(hào)采集的時(shí)間點(diǎn)，使信號(hào)采集點(diǎn)能恰好采集到實(shí)驗(yàn)所需數(shù)據(jù)。

為實(shí)現(xiàn)MPD采樣點(diǎn)與APV25數(shù)據(jù)幀同步，使APV25產(chǎn)生周期的脈沖用于同步，需將MPD采樣的時(shí)間點(diǎn)調(diào)整到同步脈沖的最高點(diǎn)。圖2所示為系統(tǒng)運(yùn)行在調(diào)試模式下所得到的采樣數(shù)據(jù)。系統(tǒng)不斷地采集每個(gè)通道的數(shù)據(jù)，在對(duì)APV25模擬信號(hào)數(shù)字化的過程中，對(duì)同步脈沖的采樣便形成圖2中的右側(cè)峰，對(duì)電子學(xué)基線的采樣便形成圖2中的左側(cè)峰。因此，需調(diào)節(jié)參量使右側(cè)峰出現(xiàn)的位置在橫軸上越大越好。由于左側(cè)峰反應(yīng)的是采集的電子學(xué)基線的大小，為獲得更好分辨，左側(cè)峰的位置較小為宜，因此，在調(diào)節(jié)參量時(shí)同時(shí)需保證圖2中的左側(cè)峰在橫軸上的位置較小。在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)中，通常左側(cè)峰的橫坐標(biāo)位置在700(即ADC采樣得到的值)以下，右側(cè)峰的橫坐標(biāo)位置在2 500～3 000之間。當(dāng)然，不同的實(shí)驗(yàn)條件可能有不同的結(jié)果。

圖2 APV25同步校準(zhǔn)模式下采樣計(jì)數(shù)

2.3 系統(tǒng)改進(jìn)

通常，1個(gè)探測(cè)器需使用多個(gè)APV25前端卡，為使用方便，在MPD與APV25前端卡之間采用專門設(shè)計(jì)的集線器基板?；迮cAPV25前端卡采用MOLEX連接器連接。為適應(yīng)探測(cè)器的需要，每個(gè)基板設(shè)計(jì)可容納5個(gè)APV25前端卡?；迮cMPD之間采用HDMI數(shù)據(jù)線進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)傳輸，并通過基板為所有的APV25前端卡供電。由于上傳的數(shù)據(jù)信號(hào)為模擬信號(hào)，易受干擾，所以線材的接觸良好程度與線材的導(dǎo)電率對(duì)信號(hào)至關(guān)重要。在測(cè)試中，為適應(yīng)不同類型的探測(cè)器，設(shè)計(jì)了不同的APV25前端卡到探測(cè)器讀出條的連接器，使探測(cè)器集成度更高，更有利于將來大規(guī)模的應(yīng)用。

由于各參量在不同的系統(tǒng)中不同，為能更方便地尋找最合適的工作條件，設(shè)計(jì)了自動(dòng)尋找工作參數(shù)的程序，程序能自動(dòng)按照當(dāng)前的系統(tǒng)尋找到合適的工作條件。

2.4 測(cè)試結(jié)果

通過測(cè)試整套電子學(xué)系統(tǒng)，在本底狀態(tài)下，得到了不包含和包含模擬信號(hào)的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)采集中，每個(gè)事件中連續(xù)采樣6次，每次采樣時(shí)間間隔為25 ns，輸出ADC值。圖3a示出了采集的電子學(xué)噪聲ADC值，本底狀態(tài)下電子學(xué)基線的ADC值均勻且隨機(jī)分布。圖3b示出了在加入模擬信號(hào)脈沖情況下的ADC值，由于信號(hào)脈沖較寬，有4個(gè)采樣區(qū)間獲得了信號(hào)脈沖，且經(jīng)過調(diào)節(jié)延時(shí)，出現(xiàn)了脈沖信號(hào)的上升沿和峰值，所得數(shù)據(jù)信噪比高，模擬信號(hào)脈沖易被挑選。

圖3 電子學(xué)基線ADC值(a)與含模擬信號(hào)脈沖ADC值(b)

3 結(jié)論

讀出電子學(xué)芯片APV25具有很高的集成度，經(jīng)測(cè)試，它可工作在40 MHz的工作頻率下，并具有非常快的時(shí)間響應(yīng)。單個(gè)APV25模擬數(shù)據(jù)通道高達(dá)128路，對(duì)于有效面積為10 cm×10 cm的GEM探測(cè)器進(jìn)行成像探測(cè)[10]，只需x、y方向各兩片APV25前端卡即可獲得好的分辨，極大精簡了電子學(xué)線路。且APV25具有良好的抗輻射性能，能工作在高劑量輻射環(huán)境中，為未來大面積探測(cè)器的電子學(xué)讀出提供了保證。由于APV25是目前最先進(jìn)的用于數(shù)據(jù)采集的ASIC芯片之一，集成度高、體積小，可精簡線路，在以后的電子學(xué)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)中可做成便攜式可移動(dòng)的采集系統(tǒng)。同時(shí)，本測(cè)試對(duì)APV25前端卡的集線器基板進(jìn)行了改進(jìn)，并對(duì)共地線路進(jìn)行了優(yōu)化。本次對(duì)APV25電子學(xué)系統(tǒng)的測(cè)試與改進(jìn)，為以后電子學(xué)設(shè)計(jì)和搭建提供了更多參考。

參考文獻(xiàn)：

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