應(yīng)用于氣體電子倍增器的電子學(xué)板研制

王 珂，薛志華，王大勇，班 勇

(北京大學(xué) 物理學(xué)院 核物理與核技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100871)

近年來(lái)，由于核物理與粒子物理實(shí)驗(yàn)的需要，微結(jié)構(gòu)氣體探測(cè)器成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)[1]，并廣泛應(yīng)用于粒子物理實(shí)驗(yàn)、天體物理、等離子體及核醫(yī)學(xué)成像等方面[2-3]。其中，氣體電子倍增器(GEM)[4]具有增益高、適用于高計(jì)數(shù)率環(huán)境、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，被應(yīng)用于多個(gè)高能實(shí)驗(yàn)[5]，性能表現(xiàn)良好，具有長(zhǎng)時(shí)間操作穩(wěn)定性。如COMPASS實(shí)驗(yàn)[6]采用了有效面積為30 cm×30 cm的3層GEM探測(cè)器用作徑跡探測(cè)器[7]，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)上的LHCb實(shí)驗(yàn)應(yīng)用了數(shù)十個(gè)有效面積為20 cm×24 cm的3層GEM探測(cè)器作繆子觸發(fā)[8]。

隨著歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)計(jì)劃升級(jí)為高亮度大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，緊湊型繆子螺線管(CMS)實(shí)驗(yàn)為適應(yīng)高亮度帶來(lái)的高計(jì)數(shù)率束流環(huán)境，提出增加3個(gè)繆子探測(cè)器系統(tǒng)：端部?jī)?nèi)圈第1站GE1/1、第2站GE2/1和最內(nèi)圈ME0[9]，以覆蓋更大的有效探測(cè)區(qū)域，增強(qiáng)繆子探測(cè)器系統(tǒng)的一級(jí)觸發(fā)能力和徑跡重建能力。這3個(gè)探測(cè)器都選擇3層級(jí)聯(lián)GEM探測(cè)器作為技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案[10]。應(yīng)用于GE1/1和GE2/1項(xiàng)目的大面積GEM探測(cè)器，其前端電子學(xué)主要包括GEM探測(cè)器讀出板、讀出集成電路芯片VFAT3、GEM電子學(xué)板(GEB)和包含現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列(FPGA)和千兆位發(fā)射器(GBTs)的光電集中處理器(OH)板。GEB在GEM探測(cè)器的前端電子學(xué)系統(tǒng)中起重要作用，主要功能包括：1) 在保證信號(hào)高速性和完整性的基礎(chǔ)上，整合GEM探測(cè)器上多個(gè)VFAT3收集的觸發(fā)及徑跡數(shù)據(jù)，并將其傳送到OH板，大幅簡(jiǎn)化了信號(hào)在探測(cè)器系統(tǒng)中從前端電子學(xué)到達(dá)后端電子學(xué)的傳輸通道多路性和復(fù)雜性，減輕了應(yīng)用于大面積探測(cè)器上的讀出電子學(xué)通道數(shù)負(fù)擔(dān)；2) 設(shè)計(jì)有電源提供回路，在GEB上采用5個(gè)電源模塊為讀出電子學(xué)VFAT3和OH板提供不同電壓，保障前端電子學(xué)系統(tǒng)的電源提供，減輕前端電子學(xué)讀出板和OH板的設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)；3) 為GEM探測(cè)器提供電磁屏蔽，提高探測(cè)器系統(tǒng)的信噪比。

GE1/1項(xiàng)目探測(cè)器采用兩種尺寸的大面積3層GEM探測(cè)器，但由于電子學(xué)板需處理傳輸?shù)男盘?hào)數(shù)量多，高速信號(hào)在電子學(xué)板上的傳輸設(shè)計(jì)對(duì)于信號(hào)間的串?dāng)_、信號(hào)傳輸過(guò)程中的反射等因素考慮不夠全面，且電磁屏蔽設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單；在進(jìn)行電子學(xué)板批量生產(chǎn)時(shí)，由于電子學(xué)板的面積很大，生產(chǎn)的電子學(xué)板彎曲度較大，生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量控制較差。GE2/1項(xiàng)目探測(cè)器的有效面積約為1.2 m×1.8 m，約為GE1/1項(xiàng)目探測(cè)器的2.5倍。GE2/1項(xiàng)目探測(cè)器在CMS上的應(yīng)用不僅對(duì)探測(cè)器的組裝、質(zhì)量控制提出了嚴(yán)格的要求，也對(duì)應(yīng)用于探測(cè)器系統(tǒng)上的GEB研制目標(biāo)提出了較高的要求。因此，本文擬針對(duì)GE2/1項(xiàng)目的大面積GEM設(shè)計(jì)多層結(jié)構(gòu)的GEB，以滿足大面積GEM探測(cè)器系統(tǒng)中高速電子學(xué)信號(hào)的傳輸、實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽及為前端電子學(xué)提供電源等需求。

1 GEB設(shè)計(jì)

大面積GEM探測(cè)器系統(tǒng)在CMS探測(cè)器機(jī)械結(jié)構(gòu)上的安裝空間有限，這對(duì)前端電子學(xué)板的機(jī)械設(shè)計(jì)提出了厚度為1.05 mm的要求。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，遵循更簡(jiǎn)單的PCB設(shè)計(jì)、更短的布線路程以及更好的信號(hào)完整性原則，采用8層疊層對(duì)稱式設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)GEB的目標(biāo)功能。疊層從上至下依次為頂層焊接層、信號(hào)1層、數(shù)字地1層、電源層、模擬地層、數(shù)字地2層、信號(hào)2層、底層焊接層。

1.1 信號(hào)完整性

GEM探測(cè)器信號(hào)由讀出板收集讀出，傳輸?shù)郊姾伸`敏前置放大器、信號(hào)成形放大器以及恒比甄別器功能為一體的VFAT3，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。VFAT3輸出信號(hào)共包括觸發(fā)單元的9對(duì)高速差分信號(hào)和通訊單元GBT的3對(duì)高速差分信號(hào)、接收時(shí)鐘信號(hào)GBTRXDCLK、接收數(shù)據(jù)信號(hào)GBTRXD、發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)GBTTXD以及復(fù)位信號(hào)RESET。每個(gè)探測(cè)器模塊中的12個(gè)VFAT3包含的數(shù)據(jù)將通過(guò)GEB整合并傳輸?shù)絆H板，處理后利用GBTs將數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶蠖穗娮訉W(xué)。為保證信號(hào)在傳輸過(guò)程中的完整性，避免信號(hào)間的串?dāng)_、電源干擾等，將GBT通訊單元的320 Mb/s高速差分信號(hào)傳輸布置在信號(hào)1層，觸發(fā)單元的高速差分信號(hào)傳輸布置在信號(hào)2層，復(fù)位信號(hào)傳輸位于信號(hào)1層和頂層焊接層。VFAT3的輸出阻抗為100 Ω，為實(shí)現(xiàn)與VFAT3的阻抗匹配、避免高速信號(hào)在傳輸過(guò)程中的反射、保證信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量，通過(guò)選擇合適的信號(hào)寬度和信號(hào)間距等多個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)控制GEB信號(hào)層的特征阻抗為100 Ω。采用Polar Si8000軟件對(duì)觸發(fā)信號(hào)和通訊信號(hào)的布線參數(shù)寬度和距離進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果顯示，當(dāng)差分信號(hào)線寬度為0.1 mm、差分線間距為0.25 mm時(shí)，GEB的特性阻抗輸出為100 Ω，采用該結(jié)果對(duì)GEB信號(hào)層進(jìn)行布線。

GBT通訊信號(hào)中GBTRXDCLK和GBTRXD的傳輸長(zhǎng)度不等將影響探測(cè)器系統(tǒng)的時(shí)間分辨。在GEB上對(duì)12個(gè)VFAT3中接收時(shí)鐘信號(hào)GBTRXDCLK和接收數(shù)據(jù)信號(hào)GBTRXD采用蛇形走線的方式布線，控制這24對(duì)320 Mb/s高速信號(hào)在GEB上的布線長(zhǎng)度相等。

圖1 輸出信號(hào)GBTRXDCLK和GBTRXD在GEB M7上的蛇形走線Fig.1 Serpentine routing of output signal of GBTRXDCLK and GBTRXD on GEB M7

以GEB原型模塊7(GEB M7)為例，經(jīng)過(guò)蛇形走線方式處理后的接收時(shí)鐘信號(hào)GBTRXDCLK和接收數(shù)據(jù)信號(hào)GBTRXD的布線如圖1所示。模塊7上12個(gè)VFAT3輸出的GBTRXDCLK信號(hào)和GBTRXD信號(hào)長(zhǎng)度均為382.29 mm。

1.2 供電回路

為適應(yīng)高計(jì)數(shù)率的輻射環(huán)境，GEB電源層設(shè)置模擬電源和數(shù)字電源回路，為VFAT3和OH板提供多種不同電壓的抗輻射電源。對(duì)于12個(gè)VFAT3，設(shè)計(jì)為其提供2個(gè)電壓為1.2 V的電源。對(duì)于OH板，GEB為其提供電壓為1.8、1.5、2.5 V的電源。為監(jiān)控該電源的電流輸出，采用Max4372T芯片[11]將電流感應(yīng)電阻上的電壓降放大20倍，定義其輸出電流為監(jiān)測(cè)電流，可通過(guò)查看監(jiān)測(cè)電流判斷電源是否正常工作。監(jiān)測(cè)電流1、監(jiān)測(cè)電流2和監(jiān)測(cè)電流3分別監(jiān)控1.8、1.5、2.5 V等3組電源的工作狀態(tài)，而監(jiān)測(cè)電流4和監(jiān)測(cè)電流5則監(jiān)控2個(gè)1.2 V電源的工作狀態(tài)。

1.3 電磁屏蔽

在CMS繆子探測(cè)器系統(tǒng)中，GEB安裝在探測(cè)器讀出板的頂端，為GEM探測(cè)器提供電磁屏蔽。GEB底層設(shè)計(jì)接地并起屏蔽作用，底層與探測(cè)器讀出板貼合放置，并通過(guò)外部機(jī)械框架彼此連接固定，將GEM探測(cè)器和前端電子學(xué)隔離成兩個(gè)屏蔽空間，防止數(shù)字電子設(shè)備切換產(chǎn)生的電磁流干擾探測(cè)器讀出板上的模擬低電平信號(hào)、降低探測(cè)器信號(hào)噪聲。為提供穩(wěn)定的屏蔽，GEB屏蔽層的設(shè)計(jì)必須是連續(xù)、完整、均勻一致的[12]。GEB底層設(shè)計(jì)1個(gè)接地點(diǎn)可屏蔽靜電，而對(duì)于高頻電磁屏蔽，GEB屏蔽層之間的連接是多點(diǎn)的，中間板通過(guò)16個(gè)屏蔽點(diǎn)與兩邊板連接，GEB通過(guò)12個(gè)屏蔽點(diǎn)與外部框架連接。全板鋪地以保證GEB屏蔽層設(shè)計(jì)的完整性、均勻性。

2 GEB原型試制及測(cè)試

研制的GEB原型模塊M1～M4如圖2a所示，模塊的生產(chǎn)時(shí)間約為5周，每個(gè)模塊的機(jī)械尺寸都與探測(cè)器相應(yīng)的模塊匹配。

2.1 測(cè)試原理和裝置

為保證GEB原型的生產(chǎn)質(zhì)量，采用FPGA電路設(shè)計(jì)及數(shù)字邏輯電路研發(fā)了測(cè)試設(shè)備，用來(lái)測(cè)試GEB上高速信號(hào)的完整性并監(jiān)測(cè)其電源電路是否處于合理工作狀態(tài)，并作為GEB在GEM探測(cè)器系統(tǒng)上安裝應(yīng)用的質(zhì)量控制設(shè)備。電氣性測(cè)試原理如圖2b所示，設(shè)計(jì)VFAT3接頭模擬器和OH板接頭模擬器代替探測(cè)器系統(tǒng)中VFAT3的輸出端和OH板的輸入端，兩者的另一端皆與由FPGA驅(qū)動(dòng)的25個(gè)LED信號(hào)指示板連接，測(cè)試時(shí)各器件與GEB原型形成一個(gè)回路，信號(hào)指示板上的25個(gè)信號(hào)燈與GEB傳輸?shù)?2對(duì)高速差分信號(hào)和RESET復(fù)位信號(hào)一一對(duì)應(yīng)，若信號(hào)傳輸正常，則對(duì)應(yīng)指示燈會(huì)亮。

圖2 GE2/1項(xiàng)目GEB原型M1～M4 實(shí)物照片(a)和連通性測(cè)試流程(b)Fig.2 Physical photo (a) and test process (b) of GE2/1 GEB prototype M1-M4

2.2 測(cè)試步驟

GEB質(zhì)量控制測(cè)試內(nèi)容包括4個(gè)部分。

1) 12對(duì)差分信號(hào)和1個(gè)復(fù)位信號(hào)的信號(hào)連通性測(cè)試

VFAT3接頭模擬器和OH板接頭模擬器一端連接信號(hào)指示板，另一端與 GEB相連接形成一個(gè)閉合回路，查看信號(hào)指示燈上各信號(hào)燈的閃滅。

2) 電源功率分配測(cè)試

在GEB上接入5 V的低壓總電源后，通過(guò)測(cè)試5個(gè)監(jiān)測(cè)電流查看為VFAT3和OH板提供電源的回路是否處于合理工作狀態(tài)。

3) GEB的彎曲度測(cè)試

選取GEB兩個(gè)側(cè)邊的8個(gè)點(diǎn)為測(cè)試點(diǎn)，采用游標(biāo)卡尺相繼測(cè)量GEB上的6個(gè)點(diǎn)與水平面的距離，定義為GEB在該點(diǎn)上的彎曲高度。測(cè)試點(diǎn)的選取如圖3所示。

圖3 M3原型彎曲度測(cè)試點(diǎn)分布Fig.3 Bending test point distribution on prototype M3

4) GEB在探測(cè)器系統(tǒng)上的機(jī)械兼容性測(cè)試

在GEB原型上完整安裝12個(gè)VFAT3、1塊OH板以及5個(gè)電源分配器，測(cè)試GEB與其他電子學(xué)器件的機(jī)械兼容性，從而保證設(shè)計(jì)生產(chǎn)的GEB原型能正常安裝在探測(cè)器系統(tǒng)上。

3 測(cè)試結(jié)果

信號(hào)連通性測(cè)試結(jié)果顯示，12個(gè)VFAT3模擬接頭端輸出的信號(hào)都經(jīng)由GEB成功傳輸?shù)搅薕H板接頭處。

GEB上5個(gè)電源的監(jiān)測(cè)電壓測(cè)試結(jié)果列于表1。由表1可見，為VFAT3和OH板提供的電源電壓測(cè)試值與設(shè)計(jì)值的相對(duì)誤差在合理范圍內(nèi)，說(shuō)明GEB上的供電回路正常。

表1 GEB上的電源測(cè)試結(jié)果Table 1 Test result of power supply in GEB

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定PCB電子學(xué)板生產(chǎn)的最大彎曲度不超過(guò)0.75%，彎曲度的定義為彎曲高度與曲邊長(zhǎng)度之比。彎曲度測(cè)試結(jié)果顯示，GEB原型生產(chǎn)時(shí)的平均彎曲高度為1 mm，彎曲度為0.11%。應(yīng)用于GE1/1項(xiàng)目探測(cè)器的GEB生產(chǎn)時(shí)的平均彎曲高度為3 mm。由于采用了疊層對(duì)稱式設(shè)計(jì)，GEB生產(chǎn)的彎曲高度降低了2/3。兼容性測(cè)試結(jié)果顯示，本文所設(shè)計(jì)的GEB與探測(cè)器、VFAT3、OH板等前端電子學(xué)器件機(jī)械兼容性良好，可完整安裝在GEM探測(cè)器系統(tǒng)上，增強(qiáng)了前端電子學(xué)在探測(cè)器系統(tǒng)中的運(yùn)行穩(wěn)定性。

GEB原型在通過(guò)北京大學(xué)的質(zhì)量控制測(cè)試后分別運(yùn)輸?shù)綒W洲核子研究中心和美國(guó)萊斯大學(xué)進(jìn)一步組裝測(cè)試。歐洲核子研究中心搭建的探測(cè)器系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)包括GEM探測(cè)器、GEB、VFAT3、OH板及后端電子學(xué)等部分，在測(cè)試平臺(tái)上依次對(duì)GEB進(jìn)行了信號(hào)傳輸測(cè)試和噪聲測(cè)試。原型M1～M4的噪聲測(cè)試結(jié)果示于圖4。由圖4可知，噪聲測(cè)試值為0.3～0.5 fC。

圖4 M1～M4原型的噪聲測(cè)試結(jié)果Fig.4 Noise level test result of prototype M1-M4

萊斯大學(xué)搭建了GEB與OH板電子學(xué)及后端電子學(xué)的信號(hào)傳輸測(cè)試平臺(tái)，對(duì)本文所設(shè)計(jì)的GEB原型進(jìn)行了傳輸頻率為320 MHz的信號(hào)傳輸測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示，本文設(shè)計(jì)的GEB將信號(hào)完整地傳輸?shù)搅薕H板中的Artix-7 FPGA核心處理器，持續(xù)傳輸1 h沒(méi)有發(fā)生錯(cuò)誤，傳輸過(guò)程中數(shù)據(jù)誤碼率小于10-13，達(dá)到了GEB在探測(cè)器系統(tǒng)中的高速信號(hào)傳輸要求。

4 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的8層結(jié)構(gòu)的大面積GEB，通過(guò)采用8層疊層對(duì)稱式設(shè)計(jì)克服了大面積電子學(xué)板生產(chǎn)時(shí)彎曲度高的困難，GE2/1項(xiàng)目的GEB彎曲高度較GE1/1項(xiàng)目降低了2/3，增強(qiáng)了GE2/1項(xiàng)目前端電子學(xué)在探測(cè)器系統(tǒng)中的運(yùn)行穩(wěn)定性。在保證信號(hào)完整性和高速性的基礎(chǔ)上GEB整合了多個(gè)VFAT3輸出信號(hào)并將其傳輸?shù)絆H板，在320 Mb/s信號(hào)傳輸速度下的誤碼率小于10-13，達(dá)到了前端電子學(xué)系統(tǒng)中的高速信號(hào)傳輸要求。

本文的GEB設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)探測(cè)器系統(tǒng)的電磁屏蔽，系統(tǒng)中前端電子學(xué)噪聲水平改善至0.5 fC。多方測(cè)試平臺(tái)上的電氣性測(cè)試、彎曲度測(cè)試、信號(hào)傳輸測(cè)試、機(jī)械兼容性測(cè)試結(jié)果表明，GEB的設(shè)計(jì)符合大面積GEM探測(cè)器系統(tǒng)的目標(biāo)需求。