STCF RICH原型探测器的测试电子学系统构建与联调测试

侯宝临，赵 雷，陈 朕，张志永，刘 倩，丰建鑫，汪安琪，邵 明，刘建北，李嘉铭，封常青，刘树彬，安 琪

(1.核探测与核电子学国家重点实验室，中国科学技术大学，安徽 合肥 230026；2.西南科技大学 信息工程学院，四川 绵阳 621010；3.中国科学院大学 物理科学学院，北京 100049)

在粒子物理实验中，陶粲能区具有非常独特的物理特征，被认为是研究强子物理和寻找新物理的重要场所。正在预研中的超级陶粲装置(STCF)是我国继北京正负电子对撞机(BEPCⅡ)之后基于加速器的粒子物理大科学装置的重要选项之一，为陶粲物理和强子物理研究提供独特平台。STCF质心系能量计划运行在2～7 GeV，这一能区由正负电子碰撞所产生的强子末态，其最大动量可达2.0 GeV/c，这就要求粒子鉴别(PID)探测器对相应能段的带电强子(π/K/p)具有3σ的粒子鉴别能力。

切伦科夫探测器是利用不同速度的带电粒子经过辐射体产生的切伦科夫光角度不同来进行粒子鉴别的[1]。实现切伦科夫辐射角精确测量的探测器技术包括环形成像切伦科夫(RICH)探测器、内部全反射切伦科夫光探测器(DIRC)等[2-4]。其中，RICH探测器具有粒子鉴别动量范围大且连续的特点，有很好的粒子鉴别能力。RICH原型探测器的核心部件是光探测器，切伦科夫光产额低，要求光探测器必须对单光子灵敏，由表面镀碘化铯(CsI)的厚型气体电子倍增器+微网格气体(THGEM+Micromegas)混合探测器可很好地满足RICH探测器对光探测的各项要求[5]。RICH原型探测器的尺寸为160 mm×160 mm，阳极读出像素单元的尺寸为5 mm×5 mm，共有1 024路读出像素单元。RICH原型探测器对单光电子的增益约为105，其输出信号主要由雪崩产生的电子漂移和离子漂移贡献，电子漂移速度很快，因此信号前沿持续时间仅约1 ns；离子漂移的速度相对较慢，故信号后沿持续时间较长(约100 ns)。要求测试电子学系统同时实现时间和电荷的测量，时间分辨达1 ns，电荷测量动态范围达48 fC，系统的等效噪声电荷(ENC)小于0.5 fC。基于以上对测试电子学系统提出的需求，为评估RICH原型探测器的性能，本文构建一套高集成度、低噪声的测试电子学系统，并对其性能进行测试，以准确地评估探测器设计的正确性及性能指标。

1 RICH原型探测器测试电子学系统

针对RICH原型探测器的测试需求，基于波形数字化的分析方法可最全面准确地反映粒子的基本信息，且可进行在线数据分析和处理[6-7]。目前气体电子倍增器(GEM)和Micromegas探测器常用的读出ASIC有APV25、GERO、AFTER和AGET及利用这些ASIC设计的前端读出电子学系统等[8-12]。本工作采用已设计完成的基于AGET的电子学系统[13-15]来构建RICH原型探测器的测试电子学系统。AGET是法国Saclay实验室为时间投影室(TPC)通用电子学系统专门开发的一款前端读出芯片，该芯片主要由前端电荷灵敏放大、整形、滤波、开关电容阵列(SCA)等组成，其输入动态范围(120 fC、240 fC、1 pC和10 pC)、达峰时间(50 ns～1 μs)和SCA采样频率(1～100 MHz)均可调。在输入电容小于30 pF、成形时间为1 μs的情况下，其ENC小于0.08 fC[12]。AGET芯片结合后端的模数转换(ADC)和数字信号处理单元，可实现对RICH原型探测器输出波形的数字化读出。

RICH原型探测器测试电子学系统结构如图1所示。利用4块AGET前端电子学(FEE，每个FEE 256通道)模块[13-14]实现了1 024路RICH原型探测器信号的读出。由于AGET芯片的ENC随输入电容的增大而增大，随成形时间的增大而减小[12]，因此，为了降低系统噪声，RICH原型探测器和FEE之间采用高密连接器相连，且转接板尺寸应尽可能地小，使走线更短，以减小由走线引入的输入电容，同时，在做束流实验时，对FEE做了电磁屏蔽处理，以保证测试电子学系统的ENC小于0.5 fC。

RICH原型探测器的输出信号经AGET放大、滤波成形，并在触发信号的控制下完成SCA采样和ADC变换，ADC量化位宽为12 bit，并由FPGA对数据进行预处理，然后通过光纤将数据传输至数据汇总模块(DCM)[15]。DCM汇总4块FEE的数据并打包，经千兆以太网将打包后的数据上传至PC。

图1 测试电子学系统结构Fig.1 Structure of verification electronics system

图2 单通道FEE的基线噪声测试Fig.2 Baseline noise test for single channel of FEE

2 测试系统性能测试结果

2.1 基线噪声测试

在将此测试电子学系统用于与探测器的联合测试前，必须对系统本身的性能进行测试和评估。在120 fC输入动态范围、25 MHz SCA采样频率和1 μs达峰时间条件下，分别对FEE进行了不连接和连接RICH原型探测器的基线噪声测试。图2a为不连接RICH原型测器时的基线噪声，单个通道基线噪声的RMS小于3.6 ADC道值，ENC约为0.1 fC。图2b为连接RICH原型探测器时的基线噪声，连接RICH原型探测器后单个通道基线噪声的RMS小于3.8 ADC道值，ENC约为0.12 fC。连接探测器后噪声变大的原因为：RICH原型探测器输出电容等的引入使得FEE的ENC略大于不连接RICH原型探测器时的ENC，但此结果仍满足RICH原型探测器对测试电子学系统的要求。

2.2 线性测试

在与基线噪声测试相同的条件下，对FEE进行了输入-输出线性测试，单通道FEE输入-输出线性测试结果如图3所示，通过对测试结果的线性拟合可看出，单通道FEE具有良好的输入-输出线性。

图3 单通道FEE输入-输出线性测试结果Fig.3 Input-output linear test result for single channel of FEE

图4 256通道单块FEE的输入-输出线性测试结果Fig.4 Input-output linear test result for 256 channels of FEE

256通道单块FEE的输入-输出线性测试结果如图4所示，可看出，单块FEE各通道输入-输出线性一致性良好，线性拟合后256通道单块FEE的曲线斜率服从高斯分布(图5)。

采用传输线延时法对不同成形时间下电子学的时间分辨进行测量，结果如图6所示，可看出，在不同成形时间下，当输入电荷量大于35 fC时，电子学的时间分辨好于1 ns。

图5 单块FEE 256通道输入-输出斜率分布Fig.5 Input-output slope distribution for 256 channels of FEE

图6 不同成形时间下电子学的时间分辨Fig.6 Electronics time resolution at different shaping time

3 高能电子束流测试

为验证RICH原型探测器系统的功能及性能，课题组在德国电子同步辐射装置(DESY)[16]上进行了为期1个月的束流实验。使用配备有电子学的RICH原型探测器样机进行束流测试，束流测试要求最高事例率为100 Hz，若FEE采用全读出模式，每个FEE共有256路读出，每路512个采样点。采用12 bit ADC对每个采样点进行量化，每个样值前加入4 bit对应的芯片号，每个通道的数据组成1帧，帧头和帧尾共192 bit，数据传输采用8b/10b编码方式，则4块FEE汇总至DCM后的数据率为4.292 Gbps。由于DCM与PC之间采用千兆以太网传输，目前RICH原型探测器测试电子学系统的DCM与PC之间数据的上限传输速率约为650 Mbps[17]。该上限传输速率小于4块FEE总的数据率，为了实现高事例率的数据读出，必须采用每个读出通道阈值压缩的方式进行数据传输，使压缩后总的数据率小于650 Mbps。因此，测试开始前，需在束流环境下对每块FEE的基线噪声进行测试，测试结果如图7所示，束流环境下各FEE基线噪声的RMS约为10 ADC道值，即ENC约为0.3 fC，仅个别通道的基线噪声(最大约38 ADC道值，ENC约1.1 fC)偏高，分析其原因可能是束流现场的干扰所致，但对实验结果的影响可忽略。按平均每个事例击中10个阳极读出像素单元计算，采用每通道阈值压缩后的数据率为41.92 Mbps，远小于DCM与PC之间的上限传输速率，从而保证了电子学系统在束流测试时能稳定可靠地运行。

a——2号板；b——5号板；c——7号板；d——10号板图7 束流现场各FEE基线噪声测试结果Fig.7 Each FEE’s baseline noise test result on beam test-site

图8为一次束流实验RICH原型探测器记录多个事例(约30 000个)的切伦科夫辐射光信号(图8上部分弧形区域)和幅度较大的电离信号(图8下部分圆形区域)的击中位置。图9为RICH原型探测器单光电子信号的电荷量分布，可看出，电荷量分布的平均值为1 366 ADC道值，对应的电荷量约为40 fC。该电荷分布对应RICH原型探测器对单光电子信号的增益约为2×105，在此增益下，系统的时间分辨好于0.8 ns。

图8 RICH原型探测器多个事例击中位置Fig.8 Hit map for RICH prototype detector

图9 RICH原型探测器单光电子信号的电荷量分布Fig.9 Charge distribution of single photoelectron for RICH prototype detector

4 结论

针对RICH原型探测器的研究需求，构建了一套集成1 024通道的高集成度、低噪声的测试电子学系统。测试结果表明，该测试电子学系统的ENC小于0.3 fC，且具有良好的输入-输出线性，各通道一致性较好。通过单通道阈值压缩的方式，保证了在事例率不超过100 Hz时，系统能稳定地将数据传输至PC端，满足了RICH原型探测器数据读出的需求。此测试电子学系统已用于探测器原型的束流实验，成功测到了单光电子信号。