中国科学院“核探测技术与核电子学”重点实验室

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1 中国科学院“核探测技术与核电子学”重点实验室
科技创新团队负责人信息-安琪教授 物理电子学简介 安 琪 中国科学院“核探测技术与核电子学”重点实验室 中国科学技术大学 近代物理系

2 主要内容  物理电子学简介  核与粒子物理实验中电子学的特点  近年来的研究工作  在天文、空间领域开展的工作
2019/1/15 物理电子学简介

3  物理电子学简介  核与粒子物理实验中电子学的特点  近年来的研究工作  在天文、空间领域开展的工作
2019/1/15 物理电子学简介

4 历史 科大“物理电子学”学科已有52年的发展积累，其前身-核电子学专业在学校创立初期就已成立。
在早年留苏的著名学者杨衍明教授的领导下，研制了国内第一台100道能谱分析仪，国内首台行波管示波器，最先研究和发展了国内的大型多丝正比室位置灵敏探测器系统。学术声望和研究水平始终在国内处于前列，在我国近代物理实验领域中占有重要的地位，并与欧、美和日本多个世界一流实验室长期保持着合作研究。 2019/1/15 物理电子学简介

5  2005年：列入安徽省教育厅“科技创新团队”建设计划；
近十年的学科演变与发展  2001年学科调整，核电子学  物理电子学 学科方向进一步拓宽，整个学科发展呈加速迈进的势头。  2001年：安徽省省级重点学科；  2004年：安徽省物理电子学重点实验室；  2005年：列入安徽省教育厅“科技创新团队”建设计划；  2005年4月与高能所联合创立了“核探测技术与核电子学联合实 验室”，08年批准为中国科学院重点实验室，09年被评为A类 重点实验室，目前正在申请国家重点实验室；  2006年3月：与兰州重离子加速器国家实验室联合创立了 “强子物理研究中心”。 2019/1/15 物理电子学简介

6 物理电子学学科  物理电子学是近代物理学与电子学的交叉学科，“核电子学”的 发展和外延，所以也可称为：核与粒子物理实验电子学。
核物理与粒子物理  物理电子学是近代物理学与电子学的交叉学科，“核电子学”的 发展和外延，所以也可称为：核与粒子物理实验电子学。  近代物理学（粒子物理、核物理、粒子天体物理等学科）的技术 支撑，为这些学科开展实验研究提供必需的方法与手段。  将物理电子学的新方法和新技术广泛应用于其他研究领域， 并在 国民经济、国家安全与国防建设及核医学、核能源等方面起着重 要与不可替代的作用。 2019/1/15 物理电子学简介

7 具有深厚物理背景的电子学学科，“理科中的工科”。
多学科的交叉学科 物理电子学 近代物理学 模拟与数字电子学 计算机技术 传感器技术 专用集成电路设计 物理电子学不是一个单纯的电子学学科，它源于物理，服务于物理，不断促进物理学的发展。 具有深厚物理背景的电子学学科，“理科中的工科”。 2019/1/15 物理电子学简介

8 物理电子学学科  一级学科：电子科学技术  学士，硕士和博士学位授予权，工学学位  博士后工作站
 学士，硕士和博士学位授予权，工学学位  博士后工作站  培养目标：有宽厚物理基础的高级电子学人才  两位教授担任中国电子学会、中国核学会核电子学与探测技术分会 理事会委员，副主任委员单位。  中国电子学会团体会员单位。 2019/1/15 物理电子学简介

9 特色和地位  深厚的物理背景，理、工交融的创新团队，国内一流  在国内领先或处于前列的研究领域和技术：
 核与粒子物理实验的电子学方法和系统；  基于高速A/D变换的数据获取和实时信号处理技术；  快瞬态电子学技术；  精密时间测量和大尺度，精密时序控制；  大系统集成（软硬件两方面）； 2019/1/15 物理电子学简介

10 教师队伍  教授6+1人 周永钊 教授，博导 金 革 教授，博导 阴泽杰 教授，博导 朱大鸣 教授，博导 王永纲 教授，博导
金 革 教授，博导 阴泽杰 教授，博导 朱大鸣 教授，博导 王永纲 教授，博导 安 琪 教授，博导 刘树彬 教授  副教授4+3人： 武杰，曹平，李峰 2019/1/15 物理电子学简介

11  物理电子学简介  核与粒子物理实验中电子学的特点  近年来的研究工作  在天文、空间领域开展的工作
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12 两个极限尺度的物质世界 人类对两个极限尺度的物质世界—物质结构的“小宇宙”和星体世界的“大宇宙”—不断认识的历史是人类科学发展史的重要组成部分。 20世纪50年代以来，物质结构的研究进入了核子夸克层次，要求轰击粒子的能量越来越高，逐渐从原子核物理领域进入了所谓的高能物理（粒子物理）领域，包括宇宙线物理和使用高能量和高粒子束流强度的加速器物理（固定靶和对撞机） 。 几十年来，科学家们一直在粒子探测器、电子学方法和数据获取方面做出不懈的努力，以适应更高能量、更复杂的粒子物理实验，如高精度的能量分辨和位置分辨，精密的时间间隔测量，快速、实时的事例触发判选，高速、大规模的数据传输和处理等。 6位科学家获诺贝尔物理奖 2019/1/15 物理电子学简介

13 欧洲粒子物理实验室（CERN） LEP/LHC L3 CERN 2019/1/15 物理电子学简介

14 LHC 加速器环 2019/1/15 物理电子学简介

15 ATLAS Detector 2019/1/15 物理电子学简介

16 CMS Detector 2019/1/15 物理电子学简介

17 AMS Detector 2019/1/15 物理电子学简介

18 北京正负电子对撞机 2019/1/15 物理电子学简介

19 北京正负电子对撞机 2019/1/15 物理电子学简介

20 BEPC II－双环结构 2019/1/15 物理电子学简介

21 BES 读出电子学系统 2019/1/15 物理电子学简介

22 电子学系统在核与粒子物理实验中的作用 一个核与粒子物理实验要使用多种探测器构成一个实验装置，以实现其物理目标。
从信息的角度出发，各种探测器把粒子通过时产生的信息转换成“电信号”，探测器就相当于各种传感器，物理量  电信号。  所有探测器输出的电信号需要由电子学系统加以处理，转化成数 字信号（前端读出电子学），形成事例数据；  并由一个特殊的电子学系统（触发判选系统）进行实时的筛选， 剔除大量的伪事例数据；  最后，通过筛选保留的物理上感兴趣的事例数据由数据获取系统 （DAQ系统）收集，装配成一个完整的事例数据，并进行记录， 提供给物理学家进行所谓的离线分析。 2019/1/15 物理电子学简介

23 电子学系统的基本构成 数据获取 DAQ 探测器 触发判选 Trigger 前端读出电子学 慢控制 离线分析 2019/1/15
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24 核与粒子物理实验电子学系统的特点  “快信号”：纳秒，亚纳秒脉冲信号处理。  “随机性”：信号幅度，时间特性和信号形状。
 “环境恶劣”：强磁场，强电场的极端条件，高本底噪声和干扰。  “巨大的电子学通道数”：几十万～几百万的电子学通道。  “高速、高精度的实时数字化”：ADC,TDC等。  “无法应对的原始数据”：必须实施压缩数据，剔除“伪事例”。  “高速、大流量的数据传输”：使用所有最先进的数据传输技术。  “海量的数据处理”：超级存储和计算能力。  “长时间稳定工作”：数月，数年不停机；工作寿命长达十年，二十年。 2019/1/15 物理电子学简介

25  物理电子学简介  核与粒子物理实验中电子学的特点  近年来的研究工作  目前在天文、空间开展的工作
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26 国家大科学工程的进展 2019/1/15 物理电子学简介

27 北京譜仪的升级改造（BESIII） 四个主要子探测器 09年7月已通过国家验收  主漂移室（MDC）  对撞周期8ns，L1事例
 飞行时间探测器（TOF）  电磁量能器（EMC）  子鉴别器（MUON）  对撞周期8ns，L1事例 判选延迟6.4μs 采用流水线技术  L1事例率：4KHz 实时数据处理和传输 09年7月已通过国家验收 MDC TOF MUC EMC 2019/1/15 物理电子学简介

28 BESIII电子学系统 MDC：主漂移室读出电子学 TOF：飞行时间探测器读出电子学 EMC：电磁量能器读出电子学
MUON：探测器读出电子学 2019/1/15 物理电子学简介

29 达到了国际上同类探测器时间测量的最好水平
TOF前端读出电子学 448路闪烁体PMT信号的飞行时间和电荷测量 向TOF子触发提供快击中信息 时间测量精度好于25ps 电荷测量量程13bit、精度好于0.5% 达到了国际上同类探测器时间测量的最好水平 TOF读出电子学概念图 PMT信号 输入放大级 输出级 + - RF RS 输出差分信号 A1 A2  Gain＝10;  tr  2ns;  差分输出 TOF读出电子学机箱 TOF读出电子学机箱 2019/1/15 物理电子学简介

30 MUON读出电子学系统  μ子鉴别器位于BESIII探测器的最外层，其主要功能是测量反应末态中的μ子，给出它们的位置和大致飞行轨迹。与内层探测器的粒子径迹相连接，可精确测量μ子的动量并与其它带电粒子（尤其是π）区分开来。  通道：10000，电子学的任务是把上述位置信号转换成数据  电子学系统由前端板和VME系统组成 前端板（FEC） 576块，组成36个以菊花链方式连接的数据链 每块FEC读16道，16块FEC组成1个数据链（256） VME系统 读出插件（ReadOut Module） 系统控制插件（System Control Module） 连接电缆 采用屏蔽双绞扁平电缆 2019/1/15 物理电子学简介

31 大亚湾反应堆中微子物理实验  这是由中国科学家担任首席 科学家，中国高能物理界主 导的大型国际合作项目。  RPC探测器读出电子学系统
由189个FEC模块、14个ROT模块、3个ROM模块和3个RTM模块组成。 2019/1/15 2019/1/15 核探测技术与核电子学重点实验室 物理电子学简介 31

32 LAMOST观测控制系统和巡天战略系统 大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜(LAMOST)，同时跟踪观测4000天体目标的光谱，在LAMOST建成之后数年内，对北天区的2万平方度的107个目标进行巡天观测。 北京天文台兴隆观测站 2019/1/15 物理电子学简介

33 兰州CSRm外靶强子探测器电子学  冷储存环（HIRFL-CSR）是兰州重离子加速器国家实验室近年来建成的国内最先进的重离子物理实验装置，在其主环CSRm上正在建造一个外靶强子探测器。  电子学系统是基于PXI总线平台进行设计，尽量采用最新发展的ASIC芯片，力图在高集成、高性能读出电子学技术上达到一个新的高度。  采用高精度的过阈时间测量（TOT）等新思路，将电荷、时间测量合为一体，统一为时间数字化技术路线  Mate、SFE16，HPTDC等，…… PXI接口和逻辑控制：FPGA

34 基于TOT原理的时间测量模块 目前已完成有64通道、100ps时间  16通道、25ps时间分辨  128通道、100ps时间分辨
分辨和8通道、25ps时间分辨的3U 高精度时间测量PXI模块。  16通道、25ps时间分辨 TOT：SFE16 + HPTDC技术路线  128通道、100ps时间分辨 LVDS接受 ＋ HPTDC ＋实时中断  高精度时钟产生与分布： < 20ps

35 中国散裂中子源预研 CSNS：China Spallation Neutron Source
正在进行的课题: 中国散裂中子源质子加速器束流相位和能量测试。  动态范围：-50dBm至7dBm  相位分辨：  0.3°（11.74MHz更新率）  0.1°（367KHz更新率） 相位测试直方图  还可应用于加速器驱动次临界洁净核能系统（ADS） 测试中的束流相位及能量测试系统 2019/1/15 2019/1/15 核探测技术与核电子学重点实验室 物理电子学简介 35

36 量子通讯与量子计算项目 参与微尺度国家实验室量子物理与量子信息研究部相关课题的电子学系统设计
中国科学院知识创新工程重大项目——空间尺度量子实验关键技术研究与验证试验（QUESS） 2009年9月在上海技物所完成了基于带ATP系统的转台仿真诱骗态量子密钥分发实验； 2009年国庆期间完成了青海湖外场实验； 已启动新的（QUESS II）项目相关工作。 基于光纤的实用化绝对安全量子通信研究 已在合肥实现5节点的星型量子通讯网络； 已在国庆60周年庆典中试用； 冷原子量子中继技术研究 2019/1/15 物理电子学简介

37 量子密钥分发系统 中科院知识创新工程重大项目 演示覆盖全球的量子密钥分发与绝对安全保密通信试验
以一次一密的加密方式实现远距离绝对安全的指令发送和图像传输 原理已通过地面实验验证 更远距离的传输必须通过卫星，星地密钥分发传输距离大于800公里 实验室承担全部电子学系统设计 随机数模块：产生大量真随机数。 光源模块： 驱动激光管，产生单 光子序列； 探测器模块：探测单光子脉冲； 时间测量模块: 检测、确认单光子序列。要求时间分辨~200ps，已实现LSB~50ps，  25ps 2019/1/15 物理电子学简介

38 西藏羊八井高海拔空气簇射观测站 Large High Altitude Air Shower Observatory（LHAASO）
 优势：高海拔和大规模 LHAASO探测器  1平方公里地面簇射粒子阵列ED  9万平方米水契伦科夫探测器WCD  大气荧光探测器  两台契伦科夫成像望远镜  簇射中心探测器等 已得到科学院知识创新工程资助； 发改委“十二五”规划：小组位居第一

39 空间暗物质探测器预研（TANSUO） 探测器 电子学挑战 合作组：中科院南京紫金山天文台、 科学院知识创新工程资助  BGO量能器
 塑料闪烁体的径迹探测器  PMT读出 电子学挑战  低噪声、106大动态范围的电荷测量  抗辐射电子学设计  绝对的电子学稳定性、可靠性和低功 耗要求  恶劣的空间自然环境等影响 科学院知识创新工程资助 科技部“973”项目资助 合作组：中科院南京紫金山天文台、 中国科大、高能所、近物所 BGO量能器示意图

40 新型电子学方法、技术的探索 电子学的基础研究  国家自然科学基金  中国科学院知识创新工程重要方向性项目 面上和重点基金
 新型探测器方法和电子学研究  快电子学领域若干前沿技术研究  大科学工程预研 2019/1/15 物理电子学简介

41 新型电子学方法、技术的探索  ASIC设计  基于FPGA的多通道、高精度TDC芯片设计  波形数字化  制定新的总线标准
 新型触发判选和DAQ平台研究 2019/1/15 物理电子学简介

42 新型电子学技术： －基于FPGA的时间－数字变换芯片
技术指标 1）XC4VFX60FFG1152I 6通道TDC 2） LSB：~50ps; RMS： < 25 ps 3） 集成自检和温度补偿等功能 4） 触发匹配 应用领域 -- 目前已成功应用于合肥微尺度物 质科学国家实验室量子通讯实验 -- 将用于西藏羊八井宇宙线观测站 水契伦科夫探测器的时间测量 5ns固定电缆延时测试 2019/1/15 2019/1/15 核探测技术与核电子学重点实验室 物理电子学简介 42

43 新型电子学技术： －Interleaved ADC与数字后处理算法的研究
 三种通道间失配误差：增益、零点和时钟相位  完美重构滤波器冲击响应 Interleaved ADC 概念框图 2GSPS高速数据获取系统 飞行时间质谱仪（中国计量院） 8bit 4Gsps 系统与修正效果测试 14bit 320Msps 系统与修正效果测试 2019/1/15 2019/1/15 核探测技术与核电子学重点实验室 物理电子学简介 43

44 新型电子学技术： －基于SCA的波形数字化研究
Domino Ring Sampler (DRS4) Paul Scherrer Institute (PSI) High Speed Sampling 5GSPS/Ch., 8 Ch. Time Interleaved Sampling AD9222 12 bit 8 channels Supported by Knowledge Innovation Program of the Chinese Academy of Sci. (No.KJCX2-YW-N27) 2019/1/15 2019/1/15 核探测技术与核电子学重点实验室 物理电子学简介 44

45  物理电子学简介  核与粒子物理实验中电子学的特点  近年来开展的工作  在天文、空间领域开展的工作
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46 LAMOST观测控制系统和巡天战略系统 大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜(LAMOST)，同时跟踪观测4000天体目标的光谱，在LAMOST建成之后数年内，对北天区的2万平方度的107个目标进行巡天观测。 北京天文台兴隆观测站 2019/1/15 物理电子学简介

47 量子通讯与量子计算项目 参与微尺度国家实验室量子物理与量子信息研究部相关课题的电子学系统设计
中国科学院知识创新工程重大项目——空间尺度量子实验关键技术研究与验证试验（QUESS） 2009年9月在上海技物所完成了基于带ATP系统的转台仿真诱骗态量子密钥分发实验； 2009年国庆期间完成了青海湖外场实验； 已启动新的（QUESS II）项目相关工作。 基于光纤的实用化绝对安全量子通信研究 已在合肥实现5节点的星型量子通讯网络； 已在国庆60周年庆典中试用； 冷原子量子中继技术研究 2019/1/15 物理电子学简介

48 量子密钥分发系统 中科院知识创新工程重大项目 演示覆盖全球的量子密钥分发与绝对安全保密通信试验
以一次一密的加密方式实现远距离绝对安全的指令发送和图像传输 原理已通过地面实验验证 更远距离的传输必须通过卫星，星地密钥分发传输距离大于800公里 承担全部电子学系统设计 随机数模块：产生大量真随机数。 光源模块： 驱动激光管，产生单 光子序列； 探测器模块：探测单光子脉冲； 时间测量模块: 检测、确认单光子序列。要求时间分辨~200ps，已实现LSB~50ps，  25ps 2019/1/15 物理电子学简介

49 空间暗物质探测器预研（TANSUO） 探测器 电子学挑战 合作组：中科院南京紫金山天文台、 科学院知识创新工程资助  BGO量能器
 塑料闪烁体的径迹探测器 电子学挑战  低噪声、106大动态范围的电荷测量  抗辐射电子学设计  绝对的电子学稳定性、可靠性和低功 耗要求  恶劣的空间自然环境等影响 科学院知识创新工程资助 科技部“973”项目资助 合作组：中科院南京紫金山天文台、 中国科大、高能所、近物所 BGO量能器示意图

50 TANSUO电子学预研  难点：106大动态范围的电荷测量  小系统预研  PMT：多打拿级输出（1728路电子学通道）
 高集成度读出电子学: VA32＋ADC  小系统预研

51 配合地空学院- USTC离子能谱仪  MCP读出电子学  环境参数监测  数据预处理  数据传输
离子能谱仪采用半球形静电分析技术，扫描静电场按E/q值过滤离子，并用位置敏感的微通道板（MCP）将单个离子转换为电子脉冲，最后由电子学以计数的方式记录、采集、打包存储并发送给地面检测设备  环境参数监测  MCP读出电子学  数据预处理  数据传输 2019/1/15 物理电子学简介

52 空间电子学技术的新挑战 恶劣的空间环境和特殊效应  抗辐射电子学  高可靠性、稳定性和低功耗  航天器件的相对匮乏 2019/1/15
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53 空间探测电子学研究的主要难点 空间辐射的影响 国内外卫星故障统计情况
高能粒子辐射损伤、空间等离子体和高 能电子充放电、空间碎片和原子氧侵蚀 等特殊效应的危害 真空、温度、振动等环境因素 国内外卫星故障统计情况 美国国家地球物理数据中心收集的 年期间的5000多次故障记录 中，空间辐射环境引起的故障约2300 次 美国1996年的统计表明， 年 空间环境引起的卫星故障超过40％， 仍有36% 截止2007年6月，我国卫星测控部门对 68颗卫星测控数据的分析统计表明，有 55颗卫星发生在轨故障，空间环境诱发 和空间环境考虑不足造成的在轨故障 127个，占故障总数324个的39% 2019/1/15 物理电子学简介

54 空间等离子体和高能电子形成电位差引起放电
科技创新团队负责人信息-安琪教授 空间环境特殊效应对卫星的危害 空间环境特殊效应 单粒子效应 单个高能粒子导致的器件逻辑翻转、锁定 危 害 伪指令 材料性能退化 器件锁定、烧毁 控制计算机紊乱 姿态失控、翻转 能源缺失 卫星减寿、失效 充放电效应 空间等离子体和高能电子形成电位差引起放电 辐射剂量效应 高能粒子通过电离或原子位移产生的损伤 侵蚀效应 微小碎片和原子氧产生撞击和腐蚀损伤 2019/1/15 物理电子学简介

55 空间探测电子学研究的一些考虑 在空间环境下完成信号读出、处理、传输和控制 探测（模拟）信号的读出、处理 抗辐照电子学设计
进一步发展：专用ASIC电路设计 探索在可航天FPGA基础上的专用电路设计 如基于ACTEL等FPGA的TDC设计 实验数据的准确传输 专用协议的研发 SpaceWire等协议在ACTEL等FPGA上的实现 2019/1/15 物理电子学简介

56 基于可航天FPGA的专用电路设计 几种可选的FPGA方案 Actel公司 Xilinx公司 Altera公司
反熔丝型：Axcelerator系列 抗辐照系列： RTAX-S/SL RadTolerant Flash型：ProASIC3系列 抗辐照系列： RT ProASIC3系列 Xilinx公司 TMR技术 Triple Module Redundancy APR技术 Active Partial Reconfiguration Altera公司 利用CRC校验码检测SEU，如发现SEU则自动重配置 2019/1/15 物理电子学简介

57 航天总线（SpaceWire）的研究 空间传感器分辨率、采样率等指标的提高，对卫星电 子学系统的数据传输提出了更高的要求
传统低速总线RS- 422/485、CAN、MIL- STD- 1553等已无法 满足日益增长的数据总线带宽需求 新型的航天总线协议SapceWire将大兴其道 以IEEE 和IEEE (LVDS) 为基础 致力于航天器有效载荷系统数据和控制信息的传输，提供统一 的连接传感器、数据处理单元、大容量存储器的基础架构 具有很好的EMC 特性，在错误检测、异常处理、故障保护和故 障恢复及时间确定性方面也做了相应加强 已成功应用于多个空间任务 欧洲航天局的Mars Express(火星快车)、Smart-1 (月球探测器) 美国航天局的James Webb空间望远镜、Swift Burst Alert Telescope…… SapceWire是一种高速的、点对点、全双工的串行总线 2019/1/15 物理电子学简介

58 谢谢！ 2019/1/15 2019/1/15 物理电子学的最新进展 物理电子学简介 58