PandaX-III读出电子学设计及进展 第十九届全国核电子学与核探测技术学术年会 PandaX-III读出电子学设计及进展 封常青，朱丹阳，陈昊磊，陈朕，潘姜，刘树彬* 中国科学技术大学 核探测与核电子学国家重点实验室 2018年10月16日 衡阳

目 录 项 目 背 景 1 读出方案设计 2 3 原型电子学研制 工程设计进展 4

PandaX-III实验介绍 由上海交大牵头提出 探测无中微子双β衰变事件 将在锦屏地下实验室运行 中国科大承担电子学任务 目前世界上最深的地下实验室 设计一种高能量分辨率、低本底的大型气体成像仪，用于“拍摄”稀有的物理过程，如无中微子双β衰变成像等。 锦屏地下实验室：2400m 可将宇宙线通量降低百万倍

PandaX实验装置 HP Xe136 experiment (PandaX-III detectors) 3-40 ton LXe DM experiment HP Xe136 experiment (PandaX-III detectors) 目前世界上最深的地下实验室 设计一种高能量分辨率、低本底的大型气体成像仪，用于“拍摄”稀有的物理过程，如无中微子双β衰变成像等。

PandaX-III TPC探测器 高压氙气TPC 双端盖读出： 能量分辨指标：3%（一期） 三维径迹测量：本底抑制 136Xe→136Ba+2e- 200kg，High pressure: 10Bar 双端盖读出： 采用Micro-bulk Micromegas 能量分辨指标：3%（一期） 三维径迹测量：本底抑制 尺寸，长2m，端盖直径1.4m PandaX-III为了降低本底、提高空间分辨率选用的是Micromegas。而基于Micro-Bulk micromegas有最好的能量分辨率。为了提高探测效率，因此成像仪需要工作在10-15个大气气压下。 为了有效的屏蔽伽马射线，整个成像仪需放置在高纯度的水系统中。 讲200公斤 ，直径，长度… 传统的Micromegas制作工艺为绝缘丝工艺，但其均匀性较差，不利于大面积制作，同时尼龙丝的死区较大，降低了探测效率。Micro-Bulk工艺，通过双面刻蚀技术刻蚀聚酰亚氨膜，均匀性好，不打火，，制作出Micromegas探测器的支撑柱子和微网电极。通过该工艺制作出的Micromegas探测器具有最好的能量分辨率 虽然 在136Xe在氙中含量只有8.86%[1]，但因为与其它双 β源相比，提取工艺相对简单，而且廉价，同时氙没有长半衰期的辐射本底，因此 成为了未来吨量级实验的首选方案之一。 气体压强正比于物质的量，增加136Xe的质量，可以提高效率，因此成像仪需要工作在10-15个大气气压下。

目 录 项 目 背 景 1 读出方案设计 2 3 原型电子学研制 工程设计进展 4

PandaX-III TPC的读出需求 1.5m Micromegas模块 读出通道数 尺寸：20cm×20cm，读出PAD：3mm × 3mm 128路阳极信号(二维条读出) 1路丝网（Mesh）信号 共82个模块（有可能减少到64个模块） 读出通道数 阳极信号：10496路（有可能减少到8192路） Mesh信号：82路（有可能减少到64路）

PandaX-III电子学指标需求 读出通道数 输入动态范围：≥ 1pC 信号读出时间窗口：≥ 100μs 阳极条信号：10496路（或8192路） 丝网信号：82路（或64路） 输入动态范围：≥ 1pC 信号读出时间窗口：≥ 100μs 噪声（接探测器后）：< 6fC（RMS） 积分非线性：< 3.2% 增益的非均匀性：< 2% 其他需求 低放射性本底 高气压（ 10bar ）水下罐体中长期可靠运行（更换和维修代价很大） 适用于TPC Micromegas读出的高集成度ASIC是唯一可行的选择！

前端ASIC选型：AGET PandaX-III的读出设置： 动态范围：1pC 采样单元：512 采样率：4MHz-5MHz 由法国CEA的Saclay实验室设计 64通道通用TPC读出芯片 动态范围: 120fC, 240fC, 1pC, 10pC 达峰时间: 50ns - 1μs (16 values) 采用开关电容阵列结构：512个电容/通道 采样率: 1MHz - 100MHz 读出频率：25MHz PandaX-III的读出设置： 动态范围：1pC 采样单元：512 采样率：4MHz-5MHz 时间窗：128μs -102.4μs

读出电子学系统结构 x21 数据获取系统 后端电子学 （位于控制室） 前端电子学（罐内）

前端电子学模块（FEC）设计方案 Artix-7 XC7A100T AD9235： 逻辑单元： 101k SRAM：4.8Mb GTP：4个 AD9235： 12bit 单通道 ADC 有效位：11.4 bit 积分非线性：±0.7 LSB 一块FEC的读出通道：256路，每路集成512个SCA单元 一次事例数据量：1.57Mb 事例率：10Hz（系统设计指标） 数据率：256*512*12bit*10Hz = 15.7Mbps

丝网读出模块（MRC）设计方案 丝网信号读出板 (MRC，Mesh Readout Card) AD9229：四通道 ADC 每块MRC 42通道（TPC每端需1块MRC） 电荷灵敏前放+成形+波形采样 （前端电路基于分立器件） 数据经FPGA预处理后，通过光纤发给后端电子学用于触发判选 AD9229：四通道 ADC 50MSPS，12bit 工程设计：最终考虑将MRC读出功能集成到FEC中

后端电子学设计方案 时钟触发模块（MTCM） 数据处理模块（S-TDCM） 接收MRC数据，产生总触发 产生系统同步时钟 实现对FEC的控制 由法国Saclay实验室承担

目 录 项 目 背 景 1 读出方案设计 2 3 原型电子学研制 工程设计进展 4

研制完成的多种原型电子学模块 MRC板 多个FEC板 DAQ-V1 DAQ-V2

FEC测试：噪声水平 输入端悬空 输入端接电容 好于设计指标（6fC） Noise = 0.7fC+0.01fC/pF （以单个Cell测量结果的RMS衡量） 输入端悬空 RMS < 0.7fC @1pC range 输入端接电容 RMS = 0.7fC+0.01fC/pF 好于设计指标（6fC） 噪声 < 1.7fC（Cin<100pF） Noise = 0.7fC+0.01fC/pF

FEC测试：积分非线性 FEC的输入信号由信号发生器提供 改变输入脉冲的幅度，从而得到每路通道的输入输出曲线 积分非线性：< 2%（设计指标：3.2%）

FEC测试：增益非均匀性 FEC的输入信号由信号发生器提供 不同通道之间的增益相差较大，可以通过标定进行修正 标定后的增益非均匀性：~0.7%（设计指标：2%） RMS≈0.7% RMS≈4.5%

MRC相关测试 Noise = 0.7fC+0.001fC/pF INL<2% 宽脉冲响应 宽脉冲面积测量误差<0.7%

TPC电子学小系统联试 4块FEC+1块MRC+1块DAQ 实现1024路+8路通道的读出 所有通道均工作正常 系统触发率可达280Hz

与上海交大原型TPC联调 ENC=0.5fC （120fC量程） ENC=1fC (1pC量程) 2019/4/6

最新联调结果（2018年10月） 放射源：Am-241, 1bar Argon, Vmesh=360V, Vdrift=12KV FEC量程：120fC FWHM:16%@13.9KeV FWHM:18.6% @17.8KeV FWHM:14.5%@13.9KeV FWHM:19% FWHM:17.6% FWHM:19.7% FEC噪声指标等关键性能满足要求，进一步的联测预计将于下月开展

目 录 项 目 背 景 1 读出方案研究 2 3 原型电子学研制 工程设计进展 4

工程设计面临的挑战 低放射性本底 低噪声 稳定、可靠 对元器件、原材料的严格控制 合理的放射性屏蔽 合理的结构电磁屏蔽和接地设计 合理的电路设计 采购、生产、测试过程中的质量控制

FEC主要元器件的放射性测试结果 1.055E+07 sum 4/6/2019 Radio.Level(μBq/total) 1 Item Chip Name Quantity Radio.Level(μBq/total) 1 Ta capacitor-10μF 100 3435 2 Ta capacitor-47μF 20 1358.2 3 Ta capacitor-100μF 1773 6 Ceramic surface-mounted capacitor-0.1μF 400 481328 7 Ceramic surface-mounted capacitor-0.01μF 500 517635 8 surface-mounted resistance-100Ω 1% 17310 9 surface-mounted resistance-4.7kΩ 1% 1365 10 74441-0010 11224.94 11 74737-0002 1211.69 12 MTBS1334L1CNN  138916.7 14 XC7A200T-FBG484I-2L 165580.5 15 LT1585ACT 4 3891.48 16 LT1764AEQ-3.3 4113.63 17 PTN0405AAD 59532 18 NUP4114UPXV6 64 865.92 19 BAV199LT1G 256 929.28 AD8605ART-REEL 827.76 28 15250802601000 416785.68 29 15150802601000 328955.04 30 PCB (~0.3kg) 8343653.115 31 AGET 53720 sum 1.055E+07 (任选其一) 4/6/2019

整块FEC板放射性约10Bq （预期目标为1Bq量级） PCB板的贡献～80% 信号连接器贡献接近10% 陶瓷表贴电容贡献~10％ Bq: 放射性活度单位， 放射性元素每秒有一个原子发生衰变时，其放射性活度即为1贝可 采购了多个厂家多种牌号的PCB基材，进行了放射性测试，无显著区别

PCB工厂实地调研/技术协调 时间：2018年8月16日 地点：广州（兴森快捷） 经实地调研，认为普通PCB板的放射性不可控 提出的解决方案：采用柔性板工艺，8层粘接形成硬板 柔性板基材为聚酰亚胺，成分简单 制作过程中无固化剂

PCB工艺改进前后的放射性对比 初步结果表明：采用柔性基板后，PCB放射性极大降低，达到了使用要求！ 本底:19mHz 利用现有8层板数据文件，投板6块，加工成功2块 1块用于放射性测试，1块用于焊接调试 测试时间：2018年10月13-15日 测试地点：锦屏地下实验室伽马检测站 本底:19mHz 扣除本底后：330mHz 与本底相当，几乎可忽略 普通FR4基材8层PCB板 （228mm*157mm*1.6mm，170g） 柔性基材8层PCB板 （ 228mm*157mm*0.9mm，110g） 初步结果表明：采用柔性基板后，PCB放射性极大降低，达到了使用要求！

PCB可焊性（力学稳定性）的验证 初步结果表明：PCB的可靠性满足要求，可基于该工艺启动工程板设计！ 焊接完成之后，经实验室测试，该电路模块功能、性能正常 经过回流炉焊接（及手工焊接）之后，PCB板未发生显著的翘曲 说明PCB基材虽然较软，但多层粘接之后刚度足够，焊接可靠性不存在原则性问题 电路板在操作过程中（如连接器插拔）如操作不当，可发生肉眼可见的暂时性弯曲 措施：结构加固（采用低放射性高纯无氧铜）、操作细致规范 初步结果表明：PCB的可靠性满足要求，可基于该工艺启动工程板设计！

Contact Material+ Housing Material 连接器的选型（放射性筛选） Connector Pin Num Type Orientation Contact Material+ Housing Material 15150802601000 (Harting) 2×40 SMT Horizontal Copper alloy + LCP M55-7108042R (HarWin) Phoshor Broze + LCP FX2 CA1-80P-1.27DS (Hirose Connector) Phoshor Broze + Polyamide 71661-2511 (Molex) 2×50 Through Hole Thermoplastic FCN-235J096-G/0 (Fujitsu) Polyester 5917631-3 (TE connectivity) Vertical Copper alloy + Polyamide LCP: 液晶聚合物 TE ：0.5mm Phosphor bronze 含硫芳香族聚合物（PPS） 有待进一步的放射性测试！

表贴电容的选型（放射性筛选） X5R CM05 KYOCERA Ceramic 0.1μF to 22μF 0402 4~25V Capacitor Type Manufacturer Material Capacitance Range Package Rated Voltage X5R CM05 KYOCERA Ceramic 0.1μF to 22μF 0402 4~25V GRJ Series Murata 1nF to 0.1μF 0603 100V MC Series Cornell Dubilier Mica ≤1nF 0805 52 Series JAHRE ≤2.2nF 陶瓷电容: 1nF、10nF、0.1μF、 1μF 钽电容: 10μF、100μF LCP: 液晶聚合物 TE ：0.5mm Phosphor bronze 含硫芳香族聚合物（PPS） 有待进一步的调研和放射性测试

工程设计的思路 FEC PCB板设计 元器件选型和使用 合理的结构设计（FEC板的放射性屏蔽） 降低噪声：合理的接地与电磁屏蔽 采用低放射性的柔性基材 减少层数：由14层减为8层 元器件选型和使用 对电容、连接器进行放射性筛选 尽量减少电容种类和数量 合理的结构设计（FEC板的放射性屏蔽） 可能的思路：将PCB分为前端（AGET）和后端两部分，中间采用柔性连接 前端与后端之间采用高纯无氧铜作为屏蔽材料 降低噪声：合理的接地与电磁屏蔽 保证可靠性：合理的防静电（抗高压打火）设计 基于前期的方案研制成果，目前已确定FEC工程版的技术方案，正式的工程版PCB设计已经启动！

总结与展望 PandaX-III读出电子学方案阶段的工作已经完成 电子学放射性问题已得到初步解决 工程版本的读出电子学模块设计已同步开展 确定了关键技术路线和设计方案 研制完成了1024通道的读出电子学小系统 各项电性能测试结果均满足设计需求 与PandaX-III原型TPC成功开展了联测，电子学性能达到设计要求 电子学放射性问题已得到初步解决 PCB材料的放射性问题已找到解决措施 后续将进一步解决元器件放射性问题 工程版本的读出电子学模块设计已同步开展 目标：2018年底完成FEC工程板设计！

2019/4/6 感谢上海交大、原子能研究院等合作组同事的大力支持； 法国Saclay实验室Calvet Denis为本项工作提供了很多支持及有益的建议； 本项工作先后得到重点实验室自主课题、科技部重点研发专项子课题的支持。 谢谢！