一種應用于多氣隙電阻板室探測器的前端電子學模塊

丁衛撐 王 義 黃洪全 王 敏

1（成都理工大學地學核技術四川省重點實驗室 成都 610059）

2（清華大學工程物理系粒子技術與輻射成像教育部重點實驗室 北京 100084）

基于多氣隙電阻板室(MRPC)的飛行時間(TOF)探測器是 ALICE、CBM、STAR、NICA[1?3]等大型實驗裝置中的主要探測器之一，它需要大量的前端電子學通道，一般采用NINO技術放大傳輸，采用HPTDC技術數字化[4]。對于一些小型的TOF測試系統，比如MRPC探測器樣機性能的宇宙射線測試和束流實驗，簡單的前端電子學系統配合高速數據獲取系統是比較理想的技術方案。MRPC探測器輸出電流信號小且脈沖前沿快而窄[5]（電流一般為幾個 nA，上升時間為幾個 ns，可減少脈沖前沿甄別時間晃動），在用MRPC做粒子飛行時間探測中，需獲取探測器輸出脈沖信號的幅度信息和其前沿的時間信息。由于受放大器帶寬、放大轉換速度、噪聲等因素的限制，一般的前置電流型放大器無法滿足這一要求。本文介紹的TOF前端電子學模塊有價格低廉、制作方便、便于快速組裝測試系統等優點。

1 TOF探測信號放大器結構和原理

放大器電路原理結構如圖1，由于MRPC探測器兩級輸出信號極性相反，所以可用MRPC探測器輸出信號的特點，通過第一級差分放大器將極性相反的電流信號轉換為極性相反的差模電壓信號。該差模電壓信號其中一路經快速比較器甄別，獲取脈沖信號前沿時間信息，另一路經第二級差分放大器進一步放大，傳輸到幅度獲取系統。

“IN+”接 MRPC負高壓電極側的信號輸出端，也即正信號輸出端，“IN-”接 MRPC正高壓電極側的信號輸出端，也即負信號輸出端。經過前端電子學放大甄別后，時間信號和脈沖幅度信號輸出均為負信號。

圖1 電路原理結構框圖Fig.1 Structure of circuit.

2 MRPC信號分析

圖2為示波器記錄到的MRPC輸出原始信號，示波器采用50 ?電阻匹配，通道1為負極輸出信號，通道2為正極輸出信號，通道3為宇宙線符合信號。從圖2看出，MRPC探測器在宇宙線作用下，正負輸出信號幅度均在~5 mV，信號上升沿小于10 ns。

圖2 MRPC輸出信號Fig.2 Output signal of MRPC.

采用式(1)單邊衰減信號來模擬 MRPC的輸出信號進行頻域分析，根據MRPC信號邊沿特點確定參數α、β，做出的頻譜分析得出放大器的信號帶寬需達到400 MHz以上[6]。

3 減小噪聲及干擾的措施

3.1 第一級放大器件選擇

噪聲是影響放大器性能的主要因素，在低噪聲快速前置放大器設計中，尤其要考慮第一級電路的噪聲引入。因此，第一級放大器選擇至關重要，針對 MRPC輸出信號的特點，主要考慮以下幾個參數：

(1) 帶寬要足夠寬，滿足MRPC輸出信號放大器帶寬的要求。

(2) 反應足夠快，能達到放大快速信號的目的。

(3) 溫漂及電子學噪聲系數盡量小，符合MRPC探測器信號低信噪比要求。

3.2 電路設計工藝

除電路結構設計、元件參數選擇外，另一個制約測量精度的是電路制作工藝。要達到MRPC信號輸出的低噪聲快速放大目的，電路設計工藝應注意：

(1) 引線合理：放大電路的布線要合理，放大電路輸入線與輸出線分開走線，不能并行走線，輸入線采用雙絞線。

(2) 屏蔽密封：兩個輸入端用屏蔽環完全環繞，并將屏蔽環與信號地、屏蔽盒連接。

(3) 電源及接地：供電宜采用三端穩壓器件輸出電源，可有效減少電源引入干擾。各通道、電路及每個通道的電路各部分的電源應相互隔離。采用2 ?小電阻相互隔離，并在主要芯片電源輸入點設置陶瓷高頻濾波電容及鉭電容，起濾波及電源續流作用。在接地方面，由于放大電路中各個回路都以地作為電流返回的通路，但地線上的阻抗實際上不是零而形成極小的電位梯度，且地線與信號線偶合又會增加噪聲干擾，因此盡量減少接地點或減少不同接地點的距離。用多層電路板設計，采用獨立的電源層和獨立地層，來減小導線阻抗形成的電位梯度差對放大器的影響。

(4) 電路板設計：用多層板設計，采用獨立的電源層、地層及信號層，信號層與電源層之間通過地層隔離。

3.3 放大器物理連接

MRPC探測器信號輸出端等效輸出電容大(幾十pf)，輸出電荷量小(~50 fC)，為使信號通過長電纜傳輸到數據獲取系統能被甄別，須經過多級放大處理，總共放大增益~500倍。如此大的放大倍數需要有足夠低的電子學噪聲。同時，由于信號很快，一般用特性阻抗為~92 ?的雙絞線傳輸，因此在輸入端需作92 ?阻抗匹配設計。

系統的做法是將模塊分為兩部分：信號的引入底板和電子學電路。信號引入底板通過阻抗匹配接口與探測器信號輸出端相連；電子學電路的信號輸入通過信號底板引入，信號底板起屏蔽電磁干擾作用。前端電子學電路板為6層，其中2層為地層，2層為電源層，2層為信號走線層。

測試氣體的溫度會影響探測器噪聲及時間分辨率等性能。為減少溫度影響，電子學模塊與探測器之間存在空隙，可使電子學電路的熱不容易傳入到測試氣體中。由于MRPC信號輸出端的等效電容遠大于電子學電路信號輸入端的等效輸入電容，因此需對輸入端的阻抗匹配做最佳設計。放大器的反饋網絡決定了放大器的放大增益和帶寬，因此需針對具體要求通過反饋電阻網絡對輸入參數作最優化設計，這需要利用MRPC宇宙射線測試系統進行優化調試，當調試完成后，批量生產。

4 電路設計及參數選擇

實際應用中，僅取“IN+”端信號，即 MRPC正信號輸出端，實用電路如圖 3，電路主要分四部分：系統電源、第一級放大、第二級放大和脈沖前沿快速甄別。選取Maxim公司的MAX3760低噪聲互阻放大器作為第一級放大器，其跨阻為6.5 k?，噪聲僅為73 nA，頻帶560 MHz，可很好的放大上述快速小信號。同時，芯片本身帶有倒相放大功能，輸出為差模信號，方便后續電路設計。第二級放大器采用 AD8001AR，其在兩倍增益時頻寬為 440 MHz，與第一級輸出信號頻寬相匹配。時間前沿快速甄別器需要小的時延及時延的離散值，AD96685BR時延為~2.5 ns，離散值僅為50 ps，輸出為ECL電平，與NIM電平轉換較方便。

圖3 MRPC前端電子學實用電路Fig.3 A practical circuit front-end electronics of MRPC.

電路中，R3、R8和 C3主要起信號輸入成型及阻抗匹配作用，R3值選取92 ?，與MRPC信號輸出雙絞線阻抗匹配。R3、R8雖然對輸入信號有一定程度的衰減，但這減小了雙絞線輸出與放大器連接信號的不穩定性和抖動。HSMS2822肖特基雙向二極管 D1主要起保護作用，當輸入信號超過額定值時，肖特基雙向二極管導通，從而保護后續電路。

信號經交流耦合電容 C3進入快速電流放大器MAX3760，由MAX3760進行雙向放大，轉化成差模信號后分為兩路輸出，其中一路通過AD8001AR進行二級放大，合理的選擇反饋電阻 R19值，控制放大倍數及帶寬。信號另一路通過 C4、R4和 C5、R12微分電路進入時間前沿快速甄別器AD96685BR，其反向輸出端通過脈沖寬度限定電容C6接到AD96685BR的鎖定控制端LE，LE通過R3和R11分壓網絡被拉成低電平，平時處于開啟狀態。當甄別到脈沖時，LE被短暫鎖定，從而保證時間甄別脈沖前沿的穩定。AD96685BR輸出的是ECL電平，時間測量插件通常采用 NIM 電平，因此通過AT41411高頻三極管Q1進行反向后轉換成NIM電平。R12、R14和 R18電阻分壓網絡對甄別閾值進行限定，通過電源模塊的電位器調整 VHT電壓，從而調整甄別閾值。

5 性能測試

5.1 線性測試

采用精密脈沖發生器產生的近似階躍信號測試，通過對階躍信號積分，取脈沖前沿成型后的脈沖信號作為放大器的輸入脈沖信號。實際上該信號已衰減一部分，取精密脈沖發生器產生輸出的階躍信號幅度作為輸入信號幅度。放大器線性測試結果如圖4，可見在輸入信號幅度小于5 mV時，放大器線性較好，MRPC信號輸出在其線性放大區。而大于5 mV時，放大器線性度降低，分析原因初步認為是受放大器本底噪聲、跨導電阻、增益帶寬比的影響。在一級放大器器件選型時選擇更低噪聲、更小跨導電阻、更高帶寬增益比將有利于提高放大器的放大線性范圍。

圖4 放大器線性測試結果Fig.4 Test results of amplifier linearity.

5.2 MRPC信號測試

采用MRPC宇宙射線測試系統[7]，通過宇宙望遠鏡符合信號觸發，獲得經放大器放大后MRPC信號如圖5，其中通道1為幅度信號，通道4為時間信號，通道2為宇宙線符合信號。從圖5看出，MRPC時間輸出信號領先宇宙望遠鏡信號~100 ns，放大器幅度輸出信號前沿<10 ns。在宇宙射線測試系統中，時間信號連接TDC測量系統，幅度信號連接QDC測量系統。幅度信號通過延遲線延遲后使其處于宇宙射線觸發脈沖信號寬度之內。時間信號啟動TDC測量，宇宙望遠鏡符合信號作為TDC測量的停止時間，作為 QDC測量的啟動時間，使數據測量系統完成對MRPC輸出時間信號和幅度信號的測量。

圖5 實測放大器輸出信號Fig.5 Measured amplifier output signal.

6 結語

通過分離元件研制的 MRPC前端電子學模塊有價格低廉、制作方便、便于快速組裝測試系統等優點，很容易進行 MRPC性能測試。現已應用于CBM實驗用MRPC探測器和STAR實驗m子探測MTD批量生產時的宇宙射線測試系統中。該電子學模塊還可作為輻射探測中探測器(如 GEM、3He管中子探測、RPC等)輸出信號的前置放大和甄別。

1 Akindinov A, Alici A, Antonioli P, et al. Final test of the MRPC production for the ALICE TOF detector[J]. Nucl Instr Meth, 2009, A602: 709?712

2 Llope W J, Nussbaum T, Eppley G, et al. Simple front-end electronics for multigap resistive plate chambers[J]. Nucl Instr Meth, 2008, A596: 430?433

3 Wang Y, CHENG Jianping, LI Yuanjing, et al. Study on the performance of multi-gap resistive plate chambers[J].Nucl Instr Meth, 2005, A538: 425?430

4 Anghinolfi F, Jarron P, Krummenacher F, et al. NINO:An ultrafast low-power front-end amplifier discriminator for the time-of-flight detector in the ALICE experiment[J].IEEE Trans Nucl Sci, 2004, NS-51: 1974?1978

5 Technical Design Report of the ALICE Time-of-Flight System[R]. CERN/LHCC 2002-016

6 田陽, 王義, 李元景, 等. 一種用于放大快速小信號的電流靈敏型前置放大器/甄別器的研制[J]. 核電子學與探測技術, 2009, 29(2): 386?389 TIAN Yang, WANG Yi, LI Yuanjing, et al. A current-sensitive preamplifier/discriminator used for small fast signals[J]. Nuclear Electronics & Detection Technology, 2009, 29(2): 386?389

7 丁衛撐. MRPC探測器研制及性能研究[D]. 清華大學博士后研究報告, 2011 DING Weicheng. R&D and performance study of MRPC detector[D]. Postdoctoral Research Report of Tsinghua University, 2011