STCF RICH原型探測器的測試電子學系統構建與聯調測試

侯寶臨，趙 雷，陳 朕，張志永，劉 倩，豐建鑫，汪安琪，邵 明，劉建北，李嘉銘，封常青，劉樹彬，安 琪

(1.核探測與核電子學國家重點實驗室，中國科學技術大學，安徽 合肥 230026；2.西南科技大學 信息工程學院，四川 綿陽 621010；3.中國科學院大學 物理科學學院，北京 100049)

在粒子物理實驗中，陶粲能區具有非常獨特的物理特征，被認為是研究強子物理和尋找新物理的重要場所。正在預研中的超級陶粲裝置(STCF)是我國繼北京正負電子對撞機(BEPCⅡ)之后基于加速器的粒子物理大科學裝置的重要選項之一，為陶粲物理和強子物理研究提供獨特平臺。STCF質心系能量計劃運行在2～7 GeV，這一能區由正負電子碰撞所產生的強子末態，其最大動量可達2.0 GeV/c，這就要求粒子鑒別(PID)探測器對相應能段的帶電強子(π/K/p)具有3σ的粒子鑒別能力。

切倫科夫探測器是利用不同速度的帶電粒子經過輻射體產生的切倫科夫光角度不同來進行粒子鑒別的[1]。實現切倫科夫輻射角精確測量的探測器技術包括環形成像切倫科夫(RICH)探測器、內部全反射切倫科夫光探測器(DIRC)等[2-4]。其中，RICH探測器具有粒子鑒別動量范圍大且連續的特點，有很好的粒子鑒別能力。RICH原型探測器的核心部件是光探測器，切倫科夫光產額低，要求光探測器必須對單光子靈敏，由表面鍍碘化銫(CsI)的厚型氣體電子倍增器+微網格氣體(THGEM+Micromegas)混合探測器可很好地滿足RICH探測器對光探測的各項要求[5]。RICH原型探測器的尺寸為160 mm×160 mm，陽極讀出像素單元的尺寸為5 mm×5 mm，共有1 024路讀出像素單元。RICH原型探測器對單光電子的增益約為105，其輸出信號主要由雪崩產生的電子漂移和離子漂移貢獻，電子漂移速度很快，因此信號前沿持續時間僅約1 ns；離子漂移的速度相對較慢，故信號后沿持續時間較長(約100 ns)。要求測試電子學系統同時實現時間和電荷的測量，時間分辨達1 ns，電荷測量動態范圍達48 fC，系統的等效噪聲電荷(ENC)小于0.5 fC。基于以上對測試電子學系統提出的需求，為評估RICH原型探測器的性能，本文構建一套高集成度、低噪聲的測試電子學系統，并對其性能進行測試，以準確地評估探測器設計的正確性及性能指標。

1 RICH原型探測器測試電子學系統

針對RICH原型探測器的測試需求，基于波形數字化的分析方法可最全面準確地反映粒子的基本信息，且可進行在線數據分析和處理[6-7]。目前氣體電子倍增器(GEM)和Micromegas探測器常用的讀出ASIC有APV25、GERO、AFTER和AGET及利用這些ASIC設計的前端讀出電子學系統等[8-12]。本工作采用已設計完成的基于AGET的電子學系統[13-15]來構建RICH原型探測器的測試電子學系統。AGET是法國Saclay實驗室為時間投影室(TPC)通用電子學系統專門開發的一款前端讀出芯片，該芯片主要由前端電荷靈敏放大、整形、濾波、開關電容陣列(SCA)等組成，其輸入動態范圍(120 fC、240 fC、1 pC和10 pC)、達峰時間(50 ns～1 μs)和SCA采樣頻率(1～100 MHz)均可調。在輸入電容小于30 pF、成形時間為1 μs的情況下，其ENC小于0.08 fC[12]。AGET芯片結合后端的模數轉換(ADC)和數字信號處理單元，可實現對RICH原型探測器輸出波形的數字化讀出。

RICH原型探測器測試電子學系統結構如圖1所示。利用4塊AGET前端電子學(FEE，每個FEE 256通道)模塊[13-14]實現了1 024路RICH原型探測器信號的讀出。由于AGET芯片的ENC隨輸入電容的增大而增大，隨成形時間的增大而減小[12]，因此，為了降低系統噪聲，RICH原型探測器和FEE之間采用高密連接器相連，且轉接板尺寸應盡可能地小，使走線更短，以減小由走線引入的輸入電容，同時，在做束流實驗時，對FEE做了電磁屏蔽處理，以保證測試電子學系統的ENC小于0.5 fC。

RICH原型探測器的輸出信號經AGET放大、濾波成形，并在觸發信號的控制下完成SCA采樣和ADC變換，ADC量化位寬為12 bit，并由FPGA對數據進行預處理，然后通過光纖將數據傳輸至數據匯總模塊(DCM)[15]。DCM匯總4塊FEE的數據并打包，經千兆以太網將打包后的數據上傳至PC。

圖1 測試電子學系統結構Fig.1 Structure of verification electronics system

圖2 單通道FEE的基線噪聲測試Fig.2 Baseline noise test for single channel of FEE

2 測試系統性能測試結果

2.1 基線噪聲測試

在將此測試電子學系統用于與探測器的聯合測試前，必須對系統本身的性能進行測試和評估。在120 fC輸入動態范圍、25 MHz SCA采樣頻率和1 μs達峰時間條件下，分別對FEE進行了不連接和連接RICH原型探測器的基線噪聲測試。圖2a為不連接RICH原型測器時的基線噪聲，單個通道基線噪聲的RMS小于3.6 ADC道值，ENC約為0.1 fC。圖2b為連接RICH原型探測器時的基線噪聲，連接RICH原型探測器后單個通道基線噪聲的RMS小于3.8 ADC道值，ENC約為0.12 fC。連接探測器后噪聲變大的原因為：RICH原型探測器輸出電容等的引入使得FEE的ENC略大于不連接RICH原型探測器時的ENC，但此結果仍滿足RICH原型探測器對測試電子學系統的要求。

2.2 線性測試

在與基線噪聲測試相同的條件下，對FEE進行了輸入-輸出線性測試，單通道FEE輸入-輸出線性測試結果如圖3所示，通過對測試結果的線性擬合可看出，單通道FEE具有良好的輸入-輸出線性。

圖3 單通道FEE輸入-輸出線性測試結果Fig.3 Input-output linear test result for single channel of FEE

圖4 256通道單塊FEE的輸入-輸出線性測試結果Fig.4 Input-output linear test result for 256 channels of FEE

256通道單塊FEE的輸入-輸出線性測試結果如圖4所示，可看出，單塊FEE各通道輸入-輸出線性一致性良好，線性擬合后256通道單塊FEE的曲線斜率服從高斯分布(圖5)。

采用傳輸線延時法對不同成形時間下電子學的時間分辨進行測量，結果如圖6所示，可看出，在不同成形時間下，當輸入電荷量大于35 fC時，電子學的時間分辨好于1 ns。

圖5 單塊FEE 256通道輸入-輸出斜率分布Fig.5 Input-output slope distribution for 256 channels of FEE

圖6 不同成形時間下電子學的時間分辨Fig.6 Electronics time resolution at different shaping time

3 高能電子束流測試

為驗證RICH原型探測器系統的功能及性能，課題組在德國電子同步輻射裝置(DESY)[16]上進行了為期1個月的束流實驗。使用配備有電子學的RICH原型探測器樣機進行束流測試，束流測試要求最高事例率為100 Hz，若FEE采用全讀出模式，每個FEE共有256路讀出，每路512個采樣點。采用12 bit ADC對每個采樣點進行量化，每個樣值前加入4 bit對應的芯片號，每個通道的數據組成1幀，幀頭和幀尾共192 bit，數據傳輸采用8b/10b編碼方式，則4塊FEE匯總至DCM后的數據率為4.292 Gbps。由于DCM與PC之間采用千兆以太網傳輸，目前RICH原型探測器測試電子學系統的DCM與PC之間數據的上限傳輸速率約為650 Mbps[17]。該上限傳輸速率小于4塊FEE總的數據率，為了實現高事例率的數據讀出，必須采用每個讀出通道閾值壓縮的方式進行數據傳輸，使壓縮后總的數據率小于650 Mbps。因此，測試開始前，需在束流環境下對每塊FEE的基線噪聲進行測試，測試結果如圖7所示，束流環境下各FEE基線噪聲的RMS約為10 ADC道值，即ENC約為0.3 fC，僅個別通道的基線噪聲(最大約38 ADC道值，ENC約1.1 fC)偏高，分析其原因可能是束流現場的干擾所致，但對實驗結果的影響可忽略。按平均每個事例擊中10個陽極讀出像素單元計算，采用每通道閾值壓縮后的數據率為41.92 Mbps，遠小于DCM與PC之間的上限傳輸速率，從而保證了電子學系統在束流測試時能穩定可靠地運行。

a——2號板；b——5號板；c——7號板；d——10號板圖7 束流現場各FEE基線噪聲測試結果Fig.7 Each FEE’s baseline noise test result on beam test-site

圖8為一次束流實驗RICH原型探測器記錄多個事例(約30 000個)的切倫科夫輻射光信號(圖8上部分弧形區域)和幅度較大的電離信號(圖8下部分圓形區域)的擊中位置。圖9為RICH原型探測器單光電子信號的電荷量分布，可看出，電荷量分布的平均值為1 366 ADC道值，對應的電荷量約為40 fC。該電荷分布對應RICH原型探測器對單光電子信號的增益約為2×105，在此增益下，系統的時間分辨好于0.8 ns。

圖8 RICH原型探測器多個事例擊中位置Fig.8 Hit map for RICH prototype detector

圖9 RICH原型探測器單光電子信號的電荷量分布Fig.9 Charge distribution of single photoelectron for RICH prototype detector

4 結論

針對RICH原型探測器的研究需求，構建了一套集成1 024通道的高集成度、低噪聲的測試電子學系統。測試結果表明，該測試電子學系統的ENC小于0.3 fC，且具有良好的輸入-輸出線性，各通道一致性較好。通過單通道閾值壓縮的方式，保證了在事例率不超過100 Hz時，系統能穩定地將數據傳輸至PC端，滿足了RICH原型探測器數據讀出的需求。此測試電子學系統已用于探測器原型的束流實驗，成功測到了單光電子信號。