ALICE/PHOS实验点对点读出电子学 第十七届全国核电子学与核探测技术学术年会 兰州 宋子轩 冯伟 王东 张凡 华中师范大学物理科学与技术学院 夸克与轻子物理教育部重点实验室 ALICE/PHOS实验点对点读出电子学 2014年8月12－15日 第十七届全国核电子学与核探测技术学术年会 兰州 1

第十七届全国核电子学与核探测技术学术年会 兰州 目 录 1 ALICE/PHOS 探测器 2 PHOS 读出电子学系统 3 FEE板性能测试及结果分析 4 总 结 2014年8月12－15日 第十七届全国核电子学与核探测技术学术年会 兰州 2 2

第十七届全国核电子学与核探测技术学术年会 兰州 ALICE 探测器 大型强子对撞机(LHC)是目前世界上能量最高的粒子加速器实验装置，在LHC圆周的四个碰撞点，建造了四个最主要的大型探测器，其中包括ALICE（大型重离子对撞机）探测器。 2014年8月12－15日 第十七届全国核电子学与核探测技术学术年会 兰州 3 3

第十七届全国核电子学与核探测技术学术年会 兰州 PHOS光子谱仪 CPV EMC 正在安装的第四个PHOS模块 光子谱仪(PHOS)是ALICE实验中具有高能量分辨率和位置分辨率的电磁量能器。整个PHOS量能器由4个如图所示的模块组成，被放置在ALICE底部。 2014年，华师新生产的90块FEE板已在武汉完成基本功能测试； 2014年1-4月，由3名华师ALICE组师生前往CERN安装测试FEE; 目前，已在PHOS第四个模块上安装完56块FEE板 2014年8月12－15日 第十七届全国核电子学与核探测技术学术年会 兰州 4 4 14

第十七届全国核电子学与核探测技术学术年会 兰州 PHOS信号链路 CSP FEE 全局框图 Fast OR APD 光子击中PWO4模块发生电磁簇射，产生能量沉积并形成相当产额的闪烁光。这些闪烁光由PWO4底部的APD探测到，经CSP后转化为电信号，一路送至FEE板后变为数字信号，将结果存储在缓冲器中，等待读出控制单元SRU读取；另一路经过快速整形（Fast OR）后转换成差分输出信号，这些信号送给触发控制单元（TRU）进行处理，触发控制单元将采集到的脉冲数据与门限幅值进行比较，从而发出触发信号给SRU，作为FEE无偏差事件的触发，最后SRU读取ALTRO数据给DAQ，同时TRU将收集的数据送给PC机进行离线数据分析。 2014年8月12－15日 第十七届全国核电子学与核探测技术学术年会 兰州 5 5 15

第十七届全国核电子学与核探测技术学术年会 兰州 FEE板信号处理链路 APD探测闪烁光后转换成电荷信号,电荷信号由电荷灵敏放大器（CSP）转换成电压阶跃信号； 电压阶跃信号经成形器、高低增益通道放大、ALTRO芯片转换成数字信号； 数字信号处理后被存储,最后由读出控制单元读出并送往数据获取系统 APD探测到闪烁光后转换成电荷信号，电荷信号由电荷灵敏放大器（CSP）转换成电压阶跃信号；电压阶跃信号经成形器、高低增益通道放大、ALTRO芯片转换成数字信号；数字信号处理后被存储，最后由读出控制单元读出并送往数据获取系统DAQ，FEE板上还有32路高压控制电路，用于控制每个通道的APD的偏置高压。每个通道上APD的偏置高压可以被独立设置。 2014年8月12－15日 第十七届全国核电子学与核探测技术学术年会 兰州 6 6

第十七届全国核电子学与核探测技术学术年会 兰州 FEE板信号处理链路 CSP（电荷灵敏放大器） 电荷灵敏型放大电路的输出Vout=Qapd/Cf，根据公式可以看出，输出脉冲的幅度与输出电荷量成正比，与积分电容Cf成反比。实际应用中为了防止Cf长期充电导致集成运放饱和，常在Cf上并联Rf，并上Rf之后形成放电回路。放电时间常数就是RC时间常数0.1ms。选取较大的Rf，使得放电时间很长，形成阶跃信号，信号幅度与前级电荷量成正比。 2014年8月12－15日 第十七届全国核电子学与核探测技术学术年会 兰州 7 7 17

第十七届全国核电子学与核探测技术学术年会 兰州 FEE板信号处理链路 Shaper成形电路 输入信号为来自电荷灵敏前置放大器CSP的阶跃信号，经CR-2RC2阶shaper，1阶高通和2阶低通组成的带通滤波器形成高斯波形，提高了信号的信噪比。在极零相消时，满足RfCf=RpCp，时间常数为τ0 =Rd × Cp=1 us ，峰值时间为τpeak = 2×τ0= 2 us ，极零相消电路的设计使信号不产生下冲，又能尽快地回到基线 。后面的两级低通滤波器是通过单个运算放大器采用多级反馈(MFB)来完成准高斯滤波成形，并获得一定的电压放大倍数。 CR-2RC型高斯滤波成形电路 成形时间： 1 us 第十七届全国核电子学与核探测技术学术年会 兰州 8 8 2014年8月12－15日 18

第十七届全国核电子学与核探测技术学术年会 兰州 FEE板信号处理链路 ALTRO(ALICE TPC ReadOut) ALTRO芯片集成了16个小功率10位模数转换器(ADC),采样率25Mbps, 600多万个自定义数字处理电路晶体管以及大约800kbit的数据存储器。 ALTRO芯片是ST与ALICE实验联合开发的数据采集片上系统。每个FEE上有4个ALTRO芯片，每个ALTRO芯片包括16组模拟差分输入作为独立的信号通道,一组40bit双向总线和8根控制信号线。每个信号通道包括：模数转换电路、数字信号处理电路。经过模数转换后,数字信号处理过程分为5步进行:l)第一级基线矫正,2)去尾滤波器,3)第二级基线矫正,4)零点抑制,5)数据格式化。 2014年8月12－15日 第十七届全国核电子学与核探测技术学术年会 兰州 9 9 19

第十七届全国核电子学与核探测技术学术年会 兰州 可扩展的读出控制单元（SRU） 2013年，SRU作为新的读出系统已经开始应用于PHOS新超级模块的建设当中,SRU作为主控板，通过CAT6网线连接前端电子学板，实现点对点的数据传输和控制，除此之外SRU还担负着控制其他辅助板的工作，例如对触发控制板TRU的控制以及与数据获取单元DAQ的数据传输等等。SRU读出控制系统的使用对读出速率有着很大的提升：首先点对点的CAT6网线替代GTL总线进行数据传输，使得最小的无数据传输时间由原来的270 us减小至36 us在读出时采用低增益通道抑制，即在信号较小，仅使用高增益通道的数据即可重建输入信号时，抑制低增益通道的数据，使得读出数据量大幅度减小，从而将读出速率提高至19 us。 2014年8月12－15日 第十七届全国核电子学与核探测技术学术年会 兰州 10 10 10 110

第十七届全国核电子学与核探测技术学术年会 兰州 可扩展的读出控制单元（SRU） 40个 DTC ports with RJ45 sockets SRU使用CAT6网线通过40个DTC ports与FFE板相连，实现点对点的数据传输和控制，理论上对单个FEE板的读出控制速率可达20 TTC 接收触发信号 DDL link 发送数据给PC 单个SRU可同时读出四分之一个模块的数据，即28块FEE板。 2014年8月12－15日 宋子轩 冯伟 第十七届全国核电子学与核探测技术学术年会 兰州 11 11 11 111

第十七届全国核电子学与核探测技术学术年会 兰州 CERN-PHOS电子学测试 信号变换增益及增益比 峰值时间 APD反向偏压控制精度和线性度 能量分辨率 基线漂移 2014年8月12－15日 第十七届全国核电子学与核探测技术学术年会 兰州 12 12 12

第十七届全国核电子学与核探测技术学术年会 兰州 信号变换增益及增益比 PHOS技术手册要求，单个通道可探测的最大能量为80 GeV。为了满足系统电子噪声小于5 MeV，且能处理80 GeV能量范围信号的设计需求，FEE对每路信号进行高、低增益放大（理论增益比值为16:1=24），并使用10位ADC分别对高、低增益通道进行采样，从而获得14位的有效动态范围。其中，高增益通道的一个ADC对应的最小刻度能量约为5 MeV，低增益通道为80 MeV。在实际测试中，通过改变单板的输入信号幅度从而获得8次定量数据，对90块FEE板共720 次事件联合统计得到对应的分布直方图。 信号增益比位于16.65 -16.95之间，且主要分布在16.8-16.9。 2014年8月12－15日 第十七届全国核电子学与核探测技术学术年会 兰州 13 13 13 113

第十七届全国核电子学与核探测技术学术年会 兰州 信号变换增益及增益比 图1、图2通过表征90块FEE板线性度的截距和斜率进而描述全部FEE的高低增益性能。 不断增大输入信号，直至高低增益通道满溢输出。记录对应的高低增益值，并进行代数拟合得到高低增益的线性关系。仔细观察该图可发现少量FEE板的特征量明显区别于大部分FEE板，通过Y轴标记的FEE序号我们可以迅速定位相关故障板，并能直接查找硬件电路或实际生产等原因。 图1 高增益线性度 横轴表征数值，纵轴对应FEE的板数序号 2014年8月12－15日 第十七届全国核电子学与核探测技术学术年会 兰州 14 114

第十七届全国核电子学与核探测技术学术年会 兰州 信号变换增益及增益比 图2 低增益线性度 横轴表征数值，纵轴对应FEE的板数序号 2014年8月12－15日 第十七届全国核电子学与核探测技术学术年会 兰州 15

第十七届全国核电子学与核探测技术学术年会 兰州 峰 值 时 间 峰值时间是指成形器(shaper)的输出信号到达最高点的时间。 由实际测试结果图7分析可知，峰值时间均值为2.204士0.006 us ，与上述实际电路中的理论值相符。 峰值时间τpeak = 2 us 2014年8月12－15日 第十七届全国核电子学与核探测技术学术年会 兰州 16 16 16 116

第十七届全国核电子学与核探测技术学术年会 兰州 APD反向偏压控制精度和线性度 误差小于1% 鉴于APD增益受反向偏压影响，且对于同一增益的不同APD本身也具有差异性和离散性，为了保证所有信号通道的增益具有良好的一致性，我们必须通过调节APD的反向偏压来进行一定程度的补偿。因而，APD反向偏压控制精度和线性度直接影响前端电子学系统对通道增益的控制精度。 首先将FEE板的32个通道对应的高压寄存器设置相同的数值，然后依次测量每个通道输出的实际高压值。测试时，将单板高压寄存器设置四次：0x00、0x220、0x300、0x3a0，输出理论值依次为210.2 V ，320.6 V，366.0 V，398.5 V。其控制精度度如图8所示，当高压寄存器值设置为0x00时，90块FEE板的32个通道输出高压平均值为210.7 V，其误差小于±1%，满足FEE系统对APD偏压控制的精度要求。 输出高压精度 横轴对应FEE板的通道数，纵轴对应实际测得的高压值 2014年8月12－15日 第十七届全国核电子学与核探测技术学术年会 兰州 17 17 17 117

APD偏压调节范围在209.5-400V，精度达到0.2V/bit 选取FEE板上任意一个通道，向该通道对应的高压寄存器依次写入11个不同的数值，最后测量实际输出高压。通过ROOT软件对这些数据进行代数拟合，得到APD的输出偏压与偏压寄存器设置值的线性关系。图9描述了90块FEE线性度的截距和斜率的分布情况，分析可知，APD偏压的调节范围为209.5V一400V，调节精度达到0.2V/bit。 线性度 横轴表征数值，纵轴对应FEE的板数序号 18 118

能量分辨率 高低增益通道的电子噪声 横坐标为电子噪声 ，纵坐标为统计数 设计要求前端电子学板的单通道电子噪声低于5 MeV；而在高增益通道中，10位AD所能表示的最大能量为5.12 GeV，故1 ADC count所代表的能量为5 MeV。也就是说FEE单通道电子噪声要小于1 ADC count图3所示为在一次对28块FEE板进行取数实验中，以20 KHz的触发速率取数时的电子噪声。横坐标为电子噪声ADC count，纵坐标为统计数手册。可以看出高低增益通道的电子噪声Mean值在0.5 ADC count之内，最大值也小于0.75 ADC count。也就是说电子噪声在3.75 MeV以内，满足技术方案中要求的5 MeV。 高低增益通道的电子噪声 横坐标为电子噪声 ，纵坐标为统计数 左图：低增益通道 电子噪声 Mean=0.2913 LSB，最大值为 0.7 LSB 右图：高增益通道 电子噪声 Mean=0.4955 LSB，最大值为 0.75 LSB 19 19 19 119

基 线 漂 移 横坐标为28块FEE板模块上对应的位置 ，纵坐标为统计数 最大偏移量0.5 LSB 前端电子学板上承担数据采样处理的ALTRO芯片配备1.035 V左右的中心参考电压，而ALTRO前端成形电路的差分输入电压为1.0 V左右，二者相差约为35 mV。为此，电路中设计提供30-40 mV的基线电压。由于不同FEE板在工艺、元器件以及工作位置所处环境并不能保持完全一致，故上述电压差和基线电压会存在漂移现象，如果漂移量过大就会对数据的真实有效性造成影响。图2为在一次对28块FEE板进行取数实验中20 KHz与1 Hz之间的基线漂移。可以看出最大漂移量为0.5 ADC count。 高增益通道 20KHz-1Hz 的基线漂移 横坐标为28块FEE板模块上对应的位置 ，纵坐标为统计数 20 20 20 120

第十七届全国核电子学与核探测技术学术年会 兰州 总 结 批量生产：通过单板测试平台对90块FEE板进行系统测试，共出现3块故障板，一次生产合格率达到96.7% ； 性能评估：高低增益通道增益比：16.65 -16.95 ；成形电路峰值时间：2.19 - 2.22 us ；偏压控制精度为 0.2 V/bit ；高低增益通道的电子噪声在 3.75 Mev以下；基线漂移小于 0.5 LSB； 系统升级：PHOS读出电子学系统升级为SRU，基本测试系统已在CERN搭建完成； 安装测试：华师升级生产的FEE板已在CERN-PHOS第四个模块上完成部分安装，并结合SRU进行系统测试，各项性能指标满足设计需求 2014年8月12－15日 第十七届全国核电子学与核探测技术学术年会 兰州 21 21 21

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