应用于气体电子倍增器的电子学板研制

王 珂，薛志华，王大勇，班 勇

(北京大学 物理学院 核物理与核技术国家重点实验室，北京 100871)

近年来，由于核物理与粒子物理实验的需要，微结构气体探测器成为国际研究的热点[1]，并广泛应用于粒子物理实验、天体物理、等离子体及核医学成像等方面[2-3]。其中，气体电子倍增器(GEM)[4]具有增益高、适用于高计数率环境、价格低廉等优点，被应用于多个高能实验[5]，性能表现良好，具有长时间操作稳定性。如COMPASS实验[6]采用了有效面积为30 cm×30 cm的3层GEM探测器用作径迹探测器[7]，大型强子对撞机(LHC)上的LHCb实验应用了数十个有效面积为20 cm×24 cm的3层GEM探测器作缪子触发[8]。

随着欧洲大型强子对撞机计划升级为高亮度大型强子对撞机，紧凑型缪子螺线管(CMS)实验为适应高亮度带来的高计数率束流环境，提出增加3个缪子探测器系统：端部内圈第1站GE1/1、第2站GE2/1和最内圈ME0[9]，以覆盖更大的有效探测区域，增强缪子探测器系统的一级触发能力和径迹重建能力。这3个探测器都选择3层级联GEM探测器作为技术实现方案[10]。应用于GE1/1和GE2/1项目的大面积GEM探测器，其前端电子学主要包括GEM探测器读出板、读出集成电路芯片VFAT3、GEM电子学板(GEB)和包含现场可编程逻辑门阵列(FPGA)和千兆位发射器(GBTs)的光电集中处理器(OH)板。GEB在GEM探测器的前端电子学系统中起重要作用，主要功能包括：1) 在保证信号高速性和完整性的基础上，整合GEM探测器上多个VFAT3收集的触发及径迹数据，并将其传送到OH板，大幅简化了信号在探测器系统中从前端电子学到达后端电子学的传输通道多路性和复杂性，减轻了应用于大面积探测器上的读出电子学通道数负担；2) 设计有电源提供回路，在GEB上采用5个电源模块为读出电子学VFAT3和OH板提供不同电压，保障前端电子学系统的电源提供，减轻前端电子学读出板和OH板的设计负担；3) 为GEM探测器提供电磁屏蔽，提高探测器系统的信噪比。

GE1/1项目探测器采用两种尺寸的大面积3层GEM探测器，但由于电子学板需处理传输的信号数量多，高速信号在电子学板上的传输设计对于信号间的串扰、信号传输过程中的反射等因素考虑不够全面，且电磁屏蔽设计较为简单；在进行电子学板批量生产时，由于电子学板的面积很大，生产的电子学板弯曲度较大，生产过程中的质量控制较差。GE2/1项目探测器的有效面积约为1.2 m×1.8 m，约为GE1/1项目探测器的2.5倍。GE2/1项目探测器在CMS上的应用不仅对探测器的组装、质量控制提出了严格的要求，也对应用于探测器系统上的GEB研制目标提出了较高的要求。因此，本文拟针对GE2/1项目的大面积GEM设计多层结构的GEB，以满足大面积GEM探测器系统中高速电子学信号的传输、实现电磁屏蔽及为前端电子学提供电源等需求。

1 GEB设计

大面积GEM探测器系统在CMS探测器机械结构上的安装空间有限，这对前端电子学板的机械设计提出了厚度为1.05 mm的要求。在设计过程中，遵循更简单的PCB设计、更短的布线路程以及更好的信号完整性原则，采用8层叠层对称式设计实现GEB的目标功能。叠层从上至下依次为顶层焊接层、信号1层、数字地1层、电源层、模拟地层、数字地2层、信号2层、底层焊接层。

1.1 信号完整性

GEM探测器信号由读出板收集读出，传输到集电荷灵敏前置放大器、信号成形放大器以及恒比甄别器功能为一体的VFAT3，将模拟信号转化为数字信号。VFAT3输出信号共包括触发单元的9对高速差分信号和通讯单元GBT的3对高速差分信号、接收时钟信号GBTRXDCLK、接收数据信号GBTRXD、发送数据信号GBTTXD以及复位信号RESET。每个探测器模块中的12个VFAT3包含的数据将通过GEB整合并传输到OH板，处理后利用GBTs将数据传输到后端电子学。为保证信号在传输过程中的完整性，避免信号间的串扰、电源干扰等，将GBT通讯单元的320 Mb/s高速差分信号传输布置在信号1层，触发单元的高速差分信号传输布置在信号2层，复位信号传输位于信号1层和顶层焊接层。VFAT3的输出阻抗为100 Ω，为实现与VFAT3的阻抗匹配、避免高速信号在传输过程中的反射、保证信号传输的质量，通过选择合适的信号宽度和信号间距等多个设计参数控制GEB信号层的特征阻抗为100 Ω。采用Polar Si8000软件对触发信号和通讯信号的布线参数宽度和距离进行计算，结果显示，当差分信号线宽度为0.1 mm、差分线间距为0.25 mm时，GEB的特性阻抗输出为100 Ω，采用该结果对GEB信号层进行布线。

GBT通讯信号中GBTRXDCLK和GBTRXD的传输长度不等将影响探测器系统的时间分辨。在GEB上对12个VFAT3中接收时钟信号GBTRXDCLK和接收数据信号GBTRXD采用蛇形走线的方式布线，控制这24对320 Mb/s高速信号在GEB上的布线长度相等。

图1 输出信号GBTRXDCLK和GBTRXD在GEB M7上的蛇形走线Fig.1 Serpentine routing of output signal of GBTRXDCLK and GBTRXD on GEB M7

以GEB原型模块7(GEB M7)为例，经过蛇形走线方式处理后的接收时钟信号GBTRXDCLK和接收数据信号GBTRXD的布线如图1所示。模块7上12个VFAT3输出的GBTRXDCLK信号和GBTRXD信号长度均为382.29 mm。

1.2 供电回路

为适应高计数率的辐射环境，GEB电源层设置模拟电源和数字电源回路，为VFAT3和OH板提供多种不同电压的抗辐射电源。对于12个VFAT3，设计为其提供2个电压为1.2 V的电源。对于OH板，GEB为其提供电压为1.8、1.5、2.5 V的电源。为监控该电源的电流输出，采用Max4372T芯片[11]将电流感应电阻上的电压降放大20倍，定义其输出电流为监测电流，可通过查看监测电流判断电源是否正常工作。监测电流1、监测电流2和监测电流3分别监控1.8、1.5、2.5 V等3组电源的工作状态，而监测电流4和监测电流5则监控2个1.2 V电源的工作状态。

1.3 电磁屏蔽

在CMS缪子探测器系统中，GEB安装在探测器读出板的顶端，为GEM探测器提供电磁屏蔽。GEB底层设计接地并起屏蔽作用，底层与探测器读出板贴合放置，并通过外部机械框架彼此连接固定，将GEM探测器和前端电子学隔离成两个屏蔽空间，防止数字电子设备切换产生的电磁流干扰探测器读出板上的模拟低电平信号、降低探测器信号噪声。为提供稳定的屏蔽，GEB屏蔽层的设计必须是连续、完整、均匀一致的[12]。GEB底层设计1个接地点可屏蔽静电，而对于高频电磁屏蔽，GEB屏蔽层之间的连接是多点的，中间板通过16个屏蔽点与两边板连接，GEB通过12个屏蔽点与外部框架连接。全板铺地以保证GEB屏蔽层设计的完整性、均匀性。

2 GEB原型试制及测试

研制的GEB原型模块M1～M4如图2a所示，模块的生产时间约为5周，每个模块的机械尺寸都与探测器相应的模块匹配。

2.1 测试原理和装置

为保证GEB原型的生产质量，采用FPGA电路设计及数字逻辑电路研发了测试设备，用来测试GEB上高速信号的完整性并监测其电源电路是否处于合理工作状态，并作为GEB在GEM探测器系统上安装应用的质量控制设备。电气性测试原理如图2b所示，设计VFAT3接头模拟器和OH板接头模拟器代替探测器系统中VFAT3的输出端和OH板的输入端，两者的另一端皆与由FPGA驱动的25个LED信号指示板连接，测试时各器件与GEB原型形成一个回路，信号指示板上的25个信号灯与GEB传输的12对高速差分信号和RESET复位信号一一对应，若信号传输正常，则对应指示灯会亮。

图2 GE2/1项目GEB原型M1～M4 实物照片(a)和连通性测试流程(b)Fig.2 Physical photo (a) and test process (b) of GE2/1 GEB prototype M1-M4

2.2 测试步骤

GEB质量控制测试内容包括4个部分。

1) 12对差分信号和1个复位信号的信号连通性测试

VFAT3接头模拟器和OH板接头模拟器一端连接信号指示板，另一端与 GEB相连接形成一个闭合回路，查看信号指示灯上各信号灯的闪灭。

2) 电源功率分配测试

在GEB上接入5 V的低压总电源后，通过测试5个监测电流查看为VFAT3和OH板提供电源的回路是否处于合理工作状态。

3) GEB的弯曲度测试

选取GEB两个侧边的8个点为测试点，采用游标卡尺相继测量GEB上的6个点与水平面的距离，定义为GEB在该点上的弯曲高度。测试点的选取如图3所示。

图3 M3原型弯曲度测试点分布Fig.3 Bending test point distribution on prototype M3

4) GEB在探测器系统上的机械兼容性测试

在GEB原型上完整安装12个VFAT3、1块OH板以及5个电源分配器，测试GEB与其他电子学器件的机械兼容性，从而保证设计生产的GEB原型能正常安装在探测器系统上。

3 测试结果

信号连通性测试结果显示，12个VFAT3模拟接头端输出的信号都经由GEB成功传输到了OH板接头处。

GEB上5个电源的监测电压测试结果列于表1。由表1可见，为VFAT3和OH板提供的电源电压测试值与设计值的相对误差在合理范围内，说明GEB上的供电回路正常。

表1 GEB上的电源测试结果Table 1 Test result of power supply in GEB

国际标准规定PCB电子学板生产的最大弯曲度不超过0.75%，弯曲度的定义为弯曲高度与曲边长度之比。弯曲度测试结果显示，GEB原型生产时的平均弯曲高度为1 mm，弯曲度为0.11%。应用于GE1/1项目探测器的GEB生产时的平均弯曲高度为3 mm。由于采用了叠层对称式设计，GEB生产的弯曲高度降低了2/3。兼容性测试结果显示，本文所设计的GEB与探测器、VFAT3、OH板等前端电子学器件机械兼容性良好，可完整安装在GEM探测器系统上，增强了前端电子学在探测器系统中的运行稳定性。

GEB原型在通过北京大学的质量控制测试后分别运输到欧洲核子研究中心和美国莱斯大学进一步组装测试。欧洲核子研究中心搭建的探测器系统测试平台包括GEM探测器、GEB、VFAT3、OH板及后端电子学等部分，在测试平台上依次对GEB进行了信号传输测试和噪声测试。原型M1～M4的噪声测试结果示于图4。由图4可知，噪声测试值为0.3～0.5 fC。

图4 M1～M4原型的噪声测试结果Fig.4 Noise level test result of prototype M1-M4

莱斯大学搭建了GEB与OH板电子学及后端电子学的信号传输测试平台，对本文所设计的GEB原型进行了传输频率为320 MHz的信号传输测试。测试结果显示，本文设计的GEB将信号完整地传输到了OH板中的Artix-7 FPGA核心处理器，持续传输1 h没有发生错误，传输过程中数据误码率小于10-13，达到了GEB在探测器系统中的高速信号传输要求。

4 结论

本文所设计的8层结构的大面积GEB，通过采用8层叠层对称式设计克服了大面积电子学板生产时弯曲度高的困难，GE2/1项目的GEB弯曲高度较GE1/1项目降低了2/3，增强了GE2/1项目前端电子学在探测器系统中的运行稳定性。在保证信号完整性和高速性的基础上GEB整合了多个VFAT3输出信号并将其传输到OH板，在320 Mb/s信号传输速度下的误码率小于10-13，达到了前端电子学系统中的高速信号传输要求。

本文的GEB设计实现了对探测器系统的电磁屏蔽，系统中前端电子学噪声水平改善至0.5 fC。多方测试平台上的电气性测试、弯曲度测试、信号传输测试、机械兼容性测试结果表明，GEB的设计符合大面积GEM探测器系统的目标需求。