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第十九届全国核电子学与核探测技术学术年会
多通道高速采样电子学研究与应用 报告人： 蔡佳乐 单 位： 中国科学院高能物理研究所 北京市射线成像技术与装备工程技术研究中心
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报告内容 基于DRS4的在线时间测量 基于DRS4的在线中子-伽马甄别 其它
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时间测量在高能物理中的应用 Particle identification（PID）100ps – 1ns
TOF-PET better than300ps Forward physics at HL-LHC below10ps PID through Cherenkov radiation below100ps TOF-PET：更快的扫描，更低的注射药量，更高的信噪比，更好的图像分辨率
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传统时间测量系统结构 TDC实现方式 比较器定时方法 专用TDC芯片（10ps） 利用FPGA实现TDC（10ps） 前沿定时
多阈值前沿定时 过零定时 恒比定时（最优）
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数字化的时间测量系统结构 DAQ 离线分析方法 数据获取系统：将探测器信号波形数字化，传输到上位机 数字前沿定时 数字恒比定时 波形插值拟合
上升沿近似拟合 数据获取系统：将探测器信号波形数字化，传输到上位机
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基于DRS4+FPGA在线时间测量系统 整个系统集成度高，结构简单，系统效率高 DRS4+FPGA DRS4高采样率获得高时间分辨率
FPGA实现DCFD算法，实时获取时间信息 整个系统集成度高，结构简单，系统效率高
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DRS4基本介绍 8 + 1通道模拟信号输入，每通道1024采样深度 950MHz模拟带宽(差分输入)
片内PLL，低频时钟输入 8通道并行输出 8通道 输入 8 + 1通道模拟信号输入，每通道1024采样深度 950MHz模拟带宽(差分输入) 700MSPS ~ 5GSPS 采样率 最大读出速率33MHz 2GSPS) 高信噪比低噪声(69dB, 0.35mV校正后) 复用读出
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电子学硬件结构 DRS4 FADC FPGA DAC POWER INPUT 5V trigger control FPGA
CONFIGURE POWERSUPPLY POWER INPUT 5V trigger DRS4 FADC FPGA NET WORK analog front end DAC control
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与传统时间测量系统对比 传统时间测量系统 10cm
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DRS4的校正 DRS4内部结构示意图 由于芯片制造工艺限制，导致采样信号的不一致性。
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利用FPGA对DRS4实时校正方法 . . . . . . . . . . . . . 校正前 校正后 ……
校正命令 采集基线 基线加和 写入RAM NO 1024次？ YES . . . . . . . . . . . . . RAM数据 读出 校正前 …… 校正后 与DRS4采样单元对应的RAM地址中校正数据读出并从波形中减去 计算平均 1021 1022 1023 …… 1 2 写入RAM 14bit 校正数据存储在FPGA内部RAM中 地址 结束 RAM
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实际波形校正结果（LaBr3晶体） 上升沿~1.5ns
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使用的定时方法—恒比定时 恒比定时原理—可以去除信号幅度带来的时间晃动
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利用FPGA实现恒比定时算法 原始信号 延迟信号 衰减信号 采样点N+1 ΔHN+1 定时点 ΔHN t1 t2 采样点N
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电子学本征时间分辨率 符合时间分辨率：21.8ps 单通道时间分辨率：15.4ps
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实际实验：符合事例波形（LYSO）
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LYSO+SiPM时间分辨性能测试 实时参数调节 22Na FWHM ~170ps
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基于DRS4中子-伽马甄别 传统方法对比 DRS4+在线甄别算法 模拟方法:结构复杂，成本低，甄别效果差
数字方法:高速ADC, 成本高，甄别效果好 DRS4+在线甄别算法 与高速ADC相比，DRS4成本低、处理更简单 FPGA实现甄别算法，在线数据处理，效率高
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电荷比较法（FPGA实现） 在硬件中实现了甄别算法，可在电子学系统中进行实时的中子-伽马甄别。参数在线可调
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中子-伽马甄别算法逻辑框图（FPGA）
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中子-伽马甄别实验结果 1GSPS 2GSPS
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32通道高分辨时间测量电子学板卡 应用领域：晶体时间性能测量、正电子寿命谱仪、多通道粒子波形甄别...
通道数 ：32路单端模拟信号+8路定时信号 信号输入：1VPP 采样频率：750MSPS—5GSPS 数据精度：14-bit 传输速率：千兆网 触发模式：外部触发，内部触发，软件触发 主要功能：原始波形传输，波形甄别，信号积分，数字定时等等 应用领域：晶体时间性能测量、正电子寿命谱仪、多通道粒子波形甄别...
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32通道高分辨时间测量电子学板卡 100MHz正弦波形
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INSTITUTE OF HIGH ENERGY PHYSICS
中国科学院高能物理研究所 INSTITUTE OF HIGH ENERGY PHYSICS 谢谢！
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