基于SCA波形采樣讀出電子學的CSNS Back-n中子飛行時間測量

朱丹陽，陳 朕，易 晗，高可慶,5，封常青,*，樊瑞睿1,，孫 康,6，蔣 偉，李 強，李 樣，劉樹彬

(1.核探測與核電子學國家重點實驗室；2.中國科學技術大學 近代物理系，安徽 合肥 230026；3.中國科學院 高能物理研究所，北京 100049；4.散裂中子源科學中心，廣東 東莞 523803；5.西安交通大學，陜西 西安 710049；6.中國科學院大學，北京 100049)

中國散裂中子源(CSNS)是我國的一臺大型科學實驗裝置，通過高功率脈沖質子束轟擊中子靶(鎢靶)產生高通量的中子，慢化后變成熱中子或冷中子束流，可用于基于中子散射技術的材料科學、生物科學，以及核能技術、基礎核物理和核醫學等學科的研究[1-4]。CSNS反角白光中子束(Back-n)是從散裂靶反角引出并經準直的、具有連續能譜的中子束流，其能量范圍很寬(1 eV～100 MeV)，束流通量密度很高(距散裂靶80 m處測到的通量密度約為5.0×106cm-2·s-1)，為中子物理實驗研究提供了很好的平臺[5-6]。

為得到可靠的中子實驗數據，必須對中子束流的剖面、通量、能譜等特性進行監測。基于束流監測的需求，CSNS白光中子組聯合中國科學技術大學研制了一套基于微網格氣體(Micromegas)探測器的高空間分辨二維讀出中子探測器[7]，并安裝在CSNS實驗廳1中用于測量束流剖面和中子能譜。由于中子是電中性的，很難直接被Micromegas探測器捕獲，在Micromegas探測器內表面的薄鋁膜上鍍1層薄的10B轉換體，中子與硼轉換體發生核反應，利用氣體探測器對核反應產生帶電粒子的響應，實現中子信號的測量。本文基于開關電容陣列(SCA)波形采樣讀出電子學，對CSNS Back-n中子飛行時間進行測量。

1 讀出電子學系統介紹

1.1 探測器的讀出需求

反角白光中子束流從靶站到實驗廳1的Micromegas探測器飛行距離約為56 m。結合實驗情況，中子最長和最短飛行時間分別約為10 ms(對應0.16 eV)和650 ns(約對應38 MeV)。在中子低能區，中子能量En、中子質量mn、中子從靶站到探測器的飛行距離Lflight和中子飛行時間(TOF)的關系近似表達為：

(1)

當中子飛行距離確定時，中子能量可通過測量從靶站到探測器的飛行時間得到。

對式(1)兩邊同時微分，可得到中子的時間分辨率和能量分辨率的關系為：

(2)

其中：dEn/En為中子的能量分辨率；dTOF/TOF為中子的時間分辨率。通常情況下，束流監測裝置如要實現10%的能量分辨率，對應最高能量的中子(能量約為38 MeV，飛行時間為650 ns)，其測量系統的時間測量誤差需好于32.5 ns，這既包括Micromegas探測器信號時間漲落，也包括讀出電子學測量誤差的貢獻。在兩者統計不相關的情況下，誤差傳遞公式為：

(3)

其中：σ系統為束流監測系統的時間分辨誤差；σ探測器為Micromegas探測器的時間分辨誤差；σ電子學為讀出電子學的時間分辨誤差。在假設探測器和電子學對系統時間誤差的貢獻相等的條件下，希望讀出電子學的本征時間分辨指標好于20 ns。

讀出電子學的功能是實現Micromegas探測器128路陽極條信號的幅度(電荷)和時間測量。根據探測器輸出信號幅度的特點，要求電子學通道的基線噪聲不大于2 fC(接探測器之后)。其次，為避免長電纜傳輸過程造成信號損耗或引入干擾，前端電子學和Micromegas探測器需就近連接。為實現128路信號的高密度讀出及對未來探測器通道數擴展的需求，前端電子學采用專用集成電路(ASIC)的技術方案。

1.2 讀出電子學設計

根據上述實驗需求并綜合考慮成本和進度要求，采用文獻[8]中的微結構氣體探測器通用讀出電子學系統來實現該束流監測裝置的Micromegas探測器信號讀出。該系統采用基于SCA技術的ASIC芯片(AGET[9])，并利用波形數字化技術[10]來實現探測器信號的測量。

為實現中子飛行時間測量的功能，對這套電子學系統進行了改進，利用現場可編程邏輯門陣列(FPGA)邏輯記錄信號過閾時刻，并將其打包到數據中。讀出電子學系統框架如圖1所示，由1塊前端讀出板(FEC)和1塊數據采集模塊(DCM)組成。FEC使用2片AGET芯片處理128路探測器陽極條信號。在AGET芯片內部對信號進行電荷靈敏放大和成形，再將波形的模擬采樣值存儲到內部集成的SCA中，最后在芯片外部通過25 MSPS、12 bit的模擬數字轉換器(ADC)將波形數字化，最后通過光纖接口將FPGA(賽靈思Aritx-7系列[11])芯片打包的數據發送至DCM。FEC具體的設計已在文獻[12]中進行了詳細說明，此處不再贅述。

考慮到未來探測器通道數擴展的需求，DCM可通過不同的光纖接口向多塊FEC廣播式下發配置命令，并通過FPGA(Xilinx Zynq-7000[13])和雙速率同步動態隨機存取器(DDR3 SDRAM)處理多塊FEC的數據，最后通過千兆以太網將數據傳輸到電腦用于離線數據分析。

前端讀出板的AGET芯片每個通道集成了電荷靈敏前放、成形濾波電路及512個開關電容組成的SCA，芯片的采樣率范圍為1～100 MHz，波形讀出頻率設置成25 MHz，有4個動態范圍(120 fC、240 fC、1 pC、10 pC)和16個達峰時間(70 ns～1 μs)。此外，AGET芯片內部集成了兩類數模轉換器(DAC)：一類是提供高3 bit、針對64通道粗調的全局DAC；另一類是提供低4 bit、針對每個通道細調的DAC，兩者共同組成了7 bit的可調閾值。

2 基于波形數字化的中子飛行時間測量

在Back-n上，中子產生的過程往往伴隨大量的γ射線，這些瞬發γ射線(γ-flash)會比中子先到達探測器[14]。因此對于靶站產生的每一個中子束團，讀出電子學需盡量避開γ-flash到達的時間段，減小其對數據的不利影響。在離線數據分析中，還可根據粒子信號特征對中子信號和γ信號作進一步的區分[7]。

圖1 基于AGET芯片的中子探測器讀出電子學系統Fig.1 Readout electronics system based on AGET chip for neutron detector

中子飛行時間測量的原理如圖2所示。首先，在質子打靶產生中子后650 ns的時刻，CSNS電子學系統產生T0信號，也就是中子束流產生的起始時刻(T起始)。質子加速器打靶重復頻率為25 Hz，對應的T0信號重復周期為40 ms。束流監測系統的讀出電子學接收T0信號，在100 MHz時鐘域下開始記錄時間戳，T0時刻對應的時間戳為0。讀出電子學等待一段時間避免γ-flash，然后進行電荷信號采集。質子打靶后產生高強度中子的時間窗約為10 ms，在這一時間窗內，輸入信號的飛行時間相當于輸入信號波形前沿起始點時刻(T到達)和T0時刻的差值，即前沿起始點對應的時間戳。AGET芯片將輸入信號和DAC閾值比較來產生擊中信號(T擊中)，FPGA同樣在10 ns精度下記錄擊中信號的時間戳，并將其用作系統觸發信號，在25 MHz時鐘域下產生停止信號(T停止)控制AGET SCA停止波形采樣。

圖2 飛行時間測量示意圖Fig.2 Diagram of TOF measurement

觸發信號在100 MHz時鐘下產生，并在25 MHz時鐘下控制SCA工作。這兩個時鐘雖然同源，但觸發信號的采集存在時間晃動，即擊中信號和停止信號之間的延遲時間存在晃動。測試過程中，記錄了擊中信號的時間戳，擊中信號和停止信號間的時間差約為10.24 μs，而延時晃動將會傳遞到飛行時間測量的標準差中。

根據上述測量原理，在前端電子學的FPGA芯片中實現了相應的邏輯。FPGA測量方案示意圖如圖3所示，具體過程如下：FPGA接收T0信號，記錄對應的時間戳，同時不響應γ-flash產生的擊中信號。中子束流到達后，開啟觸發時間窗處理擊中信號，用以控制AGET SCA進行波形的存儲和讀出，并將兩片AGET芯片的波形數據按乒乓機制存儲在兩個524 288位深度的隨機存取器(RAM)中，然后再按照芯片通道順序和RAM順序將波形數據和對應的觸發號和時間戳打包，通過高速光纖鏈路將數據傳輸給后端電子學，用于后續的數據分析。此外，FEC在10 ms有效時間窗后將停止處理擊中信號，并將之前記錄的時間戳和觸發計數清空，等待下一次T0信號的到來。

圖3 FEC FPGA邏輯框圖Fig.3 Logical diagram in FEC FPGA

考慮到DAC閾值存在時間游走效應及采集的波形受到噪聲影響，波形前沿的起始點時間很難直接確定。而波形采樣的停止時刻和波形過閾產生擊中信號的時間間隔(10.24 μs)基本保持不變，SCA采樣點的時間間隔也保持不變，所以波形停止時刻的時間戳(TS停止)可計算得到。波形起始點(TP到達)和停止采樣點(TP停止)在512個采樣點中的位置關系可通過擬合波形前沿得到。最終輸入信號的飛行時間為：

TOF中子=T到達-T0=10 ns×TS停止-40 ns×(TP停止-TP到達)

(4)

3 飛行時間測量方案驗證和束流測試

3.1 實驗室飛行時間測量方案的驗證

在實驗室開展了一系列測試用于研究上述的飛行時間測量方案。圖4示出實驗室FEC和DCM的測試平臺。測試過程中，AGET芯片設置為25 MHz采樣頻率、120 fC動態范圍及1 μs的達峰時間。輸入電壓信號由工作在猝發模式下的信號發生器(Tektronix AWG40000系列)產生，然后通過轉接板上不同容值的電容轉換成不同電荷信號同時注入到FEC。T0信號通過同一信號發生器產生，通過同軸電纜和SMA(Small A Type)接口直接送入FPGA。信號發生器產生的猝發頻率為25 Hz，每個間隔中只有1個40 ms周期的T0信號和連續10個4 ms周期的脈沖信號用于測試實驗。

圖4 實驗室電子學系統測試平臺Fig.4 Testing platform of readout electronics system in laboratory

結合AGET芯片內部電路的特點，使用準高斯函數對采集到的波形進行前沿擬合分析：

h近似擬合(t)=a(t-0.04·TP到達)3·

(5)

其中：h近似擬合為近似擬合結果；a為與波形幅值相關的參數；0.04 μs為AGET芯片采樣時間間隔；TP到達為起始點在512個采樣點中對應的位置；τ為與AGET濾波電路RC常數相關的參數；c為波形ADC碼值偏移坐標零點的截距；t為電子學的采樣時間。

圖5示出對同一事例中不同電荷量的波形進行前沿擬合的結果，可看出在同一事例中同時產生的不同幅度信號是同時到達FEC的不同通道，這個事例中第240個采樣點是波形前沿的起始點，也就是信號到達前端電子學的時刻。

圖5 同一事例3個不同幅度波形的準高斯擬合結果Fig.5 Fitting result of quasi-Gaussian function on three-channel sampled plots at one event

對前端電子學128路通道同時注入相同的電荷量，采集到4 000個事例并進行分析，結合式(4)、(5)擬合計算出所有通道在不同事例中對應的飛行時間，然后將同一事例中相鄰通道的測量結果作差，并將這些差值進行直方圖統計，其分布如圖6所示。同時用式(6)對統計分布進行高斯擬合。

(6)

其中：G為高斯分布的概率密度函數；ΔT為相鄰通道的飛行時間差；A為曲線尖峰的高度；μ為尖峰中心的坐標；σ飛行時間為標準方差；c為曲線縱向截距。高斯擬合結果也示于圖6中，可得到通道飛行時間的時間分辨為8.51 ns，好于中子束流飛行時間測量的需求指標(20 ns)。

3.2 CSNS反角白光中子束流測試

2019年1月，采用電子學系統配合鍍硼Micromegas探測器進行了為期1周的反角白光中子束流測試。測試現場照片如圖7所示，鍍硼Micromegas探測器與前端電子學安裝在1個鋁制屏蔽盒中，放置在實驗廳1的束線上。該Micromegas探測器中充滿了由90%氬氣和10%二氧化碳組成的混合氣體，穩定運行條件下的探測器陰極高壓為-460 V，探測器絲網高壓為-360 V。在此高壓條件下，該Micromegas探測器的增益只有數百倍，這意味著大多數中子信號在每根陽極條上沉積的電荷量只有4～5 fC，最大約為10 fC。根據此信號特征，AGET芯片采用最低的120 fC動態范圍。

圖6 差值統計直方圖的高斯擬合結果Fig.6 Gaussian fitting result of subtraction histogram

圖7 測試現場照片Fig.7 Photograph of test platform

結合此類實驗的探測器信號特征，AGET芯片采用25 MHz采樣頻率實現了20.48 μs的波形采樣時間窗。理論上，小的成形時間有利于提高時間分辨，但考慮到中子飛行時間測量對于電子學時間分辨指標為20 ns，1 μs的成形時間就足以達到此指標要求。在計數率不高的情況下，較大的成形時間能顯著提升前端電子學的信噪比。此次實驗中，中子信號幅度較小，因此最終將AGET芯片的達峰時間設置為1 μs的最大檔位。FEC接上Micromegas探測器后128路通道的噪聲標準差均小于1.7 fC，如圖8所示，可得出噪聲水平符合實驗需求。

實驗初期，Micromegas探測器放置在通過60 mm準直孔后的白光中子束線上，讀出電子學在等待約10 μs的γ-flash時間窗后，進行探測器輸出信號的采集。

圖8 128路通道接上探測器后的噪聲標準差統計分布Fig.8 Histogram of 128-channel noise standard deviation after connecting detector

當電荷信號越早到達前端電子學時，FEC采集到的波形在采樣時間窗內越靠近時間窗的左側。另一方面，由于中子束流與轉換體反應后產生的電子在Micromegas探測器中漂移存在不同程度的電荷擴散效應：電子漂移徑跡越短，它的擴散效應越小[15]。綜上所述，波形起始點最接近時間窗右側的輸入電荷信號是最后生成的電荷信號，也是擴散最多的信號，這類信號最能代表中子擊中時間信息。因此，中子最準確的飛行時間測量方法是對最后到達波形特征進行分析。

圖9 典型中子二維讀出條擊中事例的波形Fig.9 Waveform of neutron-hit signal from two-dimensional strip in typical event

根據采集到的波形特征篩選出中子信號產生的波形，統計對應擊中事例的時間戳，然后對每個事例中最后到達的中子信號進行波形前沿擬合，最終計算出對應的飛行時間。典型中子二維讀出條擊中事例的波形如圖9所示，從擬合結果可看出該事例中子飛行時間約為6.25 ms。

對大量波形幅度數據進行分析，得到60 mm準直孔后的中子束流剖面圖，如圖10a所示，可看到清晰的中子束斑輪廓。對中子飛行譜進行重建，如圖10b所示，由于中子束流能量是連續的，所以飛行時間譜是連續譜，其量程范圍為10.65 μs～10 ms，對應的能量范圍為0.16 eV～0.14 MeV。

進一步實驗，將59Co和181Ta這兩種吸收片放置在探測器靈敏區前，部分中子束流先經過吸收片再被探測器捕獲。結合59Co和181Ta吸收峰的特點，中子剖面圖和共振吸收飛行時間譜示于圖11。中子束流的飛行時間測量結果表明讀出電子學在測試過程中工作正常，驗證了讀出電子學系統的功能及飛行時間測量的正確性。

該系統的第86個通道存在連接斷路問題，導致剖面圖上y方向對應的位置出現空白圖10 60 mm準直孔后的白光中子束流剖面圖(a)和飛行時間譜(b)Fig.10 Hit map (a) and TOF spectrum (b) of white neutron beam with collimator of 60 mm

圖11 加鈷和鉭吸收片的白光中子束流剖面圖(a)和共振飛行時間譜(b)Fig.11 Hit map (a) and TOF spectrum (b) of white neutron beam with Co and Ta absorbers

4 結論

本文采用基于SCA波形采樣的多路讀出電子學，在配合鍍硼Micromegas探測器實現CSNS反角白光中子二維剖面測量的同時，利用數字化的波形信息，實現了中子飛行時間的測量。經實驗室測試，電子學系統的時間測量精度(標準差)好于10 ns，滿足CSNS反角白光高能中子的飛行時間測量的指標需求。2019年1月，在CSNS Back-n上開展實驗，讀出電子學系統運行穩定，并通過離線分析60 mm準直孔后和準直后放置吸收片的中子束流數據，成功重建出白光中子束流的剖面圖和量程范圍為10.65 μs～10 ms的飛行時間譜，測得了59Co和181Ta吸收片對應的中子共振吸收峰，證明了電子學方案的可行性和正確性。該電子學系統目前已安裝到CSNS Back-n，對中子束流監測及相關實驗的開展發揮了重要作用。