基于VATA160 ASIC的微结构气体探测器 通用便携式电子学设计 马思源 核探测与核电子学国家重点实验室 中国科学技术大学 2016/11/11 1

主要内容 背景介绍 系统设计 探测器需求 电子学设计 读出软件 电子学性能测试 探测器联试 总结 2

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常见MPGD的结构 阴极 GEM:气体电子倍增器 GEM膜/微网 阳极 MicroMegas:微网格气体探测器

应用前景广泛：粒子物理实验、天体物理、医学成像 微结构气体探测器优点： 高空间分辨率：~50um 高计数率 :>500 kHz/cm2 结构简单，抗辐照 信号特征： 幅度:10~200fC 宽度: 10~100ns 50 mm 140 mm 应用前景广泛：粒子物理实验、天体物理、医学成像

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系统设计 读出需求 高集成度:>64路 低触发噪声：<10fC 便携、易用:USB供电&传输数据 相对高计数率：>1k 事例率

常用ASIC对比 ASIC 通道数 动态范围 达峰时间 APV25 128 20fC (+/-) 50ns-200ns VMM 64 2pC VA140 200fC (+/-) 6.5μs VATA160 32 -20pC 2μs AGET 10pC (+/-) 50ns-1μs

系统设计 电子学设计 VATA160芯片： 32 Channels 200mW power max 1.8~2.3us shaping time Input charges from -3 to +12pC, 2% INL Noise < 1.5fC 1 input for gain calibration 1 trigger output 虽然VATA160是针对PMT设计 ，但噪声足够低，满足MPGD的 读出需求，针对未来多种探测器 的研发，具有广泛的适应性 VA 部分 TA部分

系统设计 电子学 读出电子学系统结构框图 电子学结构 128路通道 VATA160芯片（4片） 运放+ADC（4路） FPGA USB 数据传输/供电 读出电子学系统结构框图

系统设计 ADC：AD7944 FPGA：Actel SmartFusion2 通道数：1 分辨率：14bit（ENOB：13.5bit） 采样率：2.0MHz 功耗：28mW FPGA：Actel SmartFusion2 功耗：<500mW Flash 型

系统设计 电源设计

系统设计 数据读出设计 数据读出流程框图

系统设计 VATA160芯片*4 32*2 0.5mm连接器*4 USB Port 数据获取电子学板

电子学特点： 集成度高： 动态范围大： 便携： 测量精度高： 128路模拟输入信号 -3~+10pC输入电荷 32*2 0.5mm连接器 USB供电，功耗2W USB传输数据 设计了屏蔽盒，方便携带使 用 动态范围大： -3~+10pC输入电荷 ESD保护 测量精度高： 电子学噪声<3fC 电子学模块实物

上位机软件 基于Labwindows 平台 模块化设计 操作简单，易于使用 上位机软件结构框图

上位机软件 上位机软件界面截图

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电子学性能 测试平台： 数据采集板 信号发生器 示波器 上位机 测试内容： 基线噪声 电子学刻度 TA击中阈值 USB供电测试 系统测试平台

电子学性能 基线噪声 刻度扫描 各通道基线噪声 某通道刻度线性 所有通道的一次项系数

TA击中阈值 正电荷模式 负电荷模式 输入正电荷 不引起误触发 最低阈值：5fC 输入负电荷 最低阈值：6fC 测试流程说明 VATA1 10模式DAC码——阈值关系图

USB供电测试 功耗测试： PC USB供电：5V 500mA 各种模式下的功耗 足够电路板正常工作 工作状态 输入电压 输入电流 功耗 备注 上电未采集 +5V 0.389A 1.95W 静止状态 基线模式 0.395A 1.98W 内部等间隔触发 刻度模式 0.410A 2.05W 内触发同上 外触发模式 0.396A 外部触发，TA部分不工作 自触发模式 0.400A 2.00W 自触发，TA输出击中信号给FPGA产生触发

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联测结果 在中国科技大学核探测与核电子学国家重点实验室与Micromegas联 测 无需外部触发 测试框图 测试现场

联测结果 Fe55 能谱测试

联测结果 在中国科学院大学核与粒子物理实验室联测 联测示意图 联测现场实际连接 某通道基线

the list of encoded multiplexing connections 二维直接编码成像： 二维直接编码100x100设计中，共使用30个电子学通道解码读出二维等效读出条（两个维度总共200个阳极条），其等效像素尺寸约0.5x0.5mm2。 100x100条块状电极二维连接图 row the list of encoded multiplexing connections 1 11, 22, 33 2 14, 45, 26, 57, 38, 49, 510 3 111, 612, 213, 714, 315, 616, 417, 718, 519, 620,721 . .................................. k   2k+1通道电子学的直接编码表 详见祁宾祥博士论文《新型微结构气体探测器编码读出方法研究》

联测结果 二维直接编码测试 探测器产生电荷大小： 20-80fC 实际事例率：3~5KHz 解码后的成像图

总结： 基于VATA160的便携式电子学读出系统 和THGEM探测器及Micromegas探测器联测证明功 能正常 128路电子学通道 1.8us 成形时间 <3fC 电子学噪声 -3~+10pC线性区域 >3kHz事例率 无需外部触发信号 功耗低，USB传输数据，使用相当方便 和THGEM探测器及Micromegas探测器联测证明功 能正常

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