MPGD探测器位置编码读出研究 祁宾祥 刘树彬 安琪 核探测与核电子学国家重点实验室 中国科学技术大学 近代物理系 2015/07/24.

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1 MPGD探测器位置编码读出研究 祁宾祥 刘树彬 安琪 核探测与核电子学国家重点实验室 中国科学技术大学 近代物理系 2015/07/24

2 主要内容 背景 位置编码读出研究 小结与讨论 感应编码读出原理与设计 直接编码读出原理与设计
中国科学技术大学 核探测与核电子学国家重点实验室

3 MPGD探测器 广泛应用 发展瓶颈 高能物理： 如ALICE, ATLAS等实验 核物理：中子探测器 成像探测：，如X射线，同步辐射领域
GEM 广泛应用 高能物理： 如ALICE, ATLAS等实验 核物理：中子探测器 成像探测：，如X射线，同步辐射领域 国家安全：如海关检查，辐射防护 发展瓶颈 生产工艺制作水平 高密度的读出通道数 低噪声前端读出电子学 GEM和Micromegas是目前技术发展最成熟的微电极型气体探测器，GEM和Micromegas的主要区别在于他们的雪崩放大区的结构。三级GEM探测器叠加可达到106的增益。 中国科学技术大学 核探测与核电子学国家重点实验室 3

4 MPGD探测器读出电子学 低噪声电荷灵敏前放+高精度的读出电子学系统 中国科学技术大学 核探测与核电子学国家重点实验室

5 MPGD信号读出方式 直接读出法 延迟线读出法 二维插值读出法 FET/TFT开关阵列读出法 ………
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6 通道降低读出密度的方法探索 电子学路数庞大 有效信号稀疏 改进探测器读出，采用编码组合，减少通道数
1-D 电子学路数庞大 10×10cm2 GEM,1mm pitch,一维~100路读出； 二维~200路；像素~10000路读出 有效信号稀疏 通常一个有效信号击中在相邻几个读出条上， COMPASS实验数十Mhz事例率的测试中，只有不到5% 的电子学通道上有有效信号。 2-D pixel 改进探测器读出，采用编码组合，减少通道数 感应编码读出 胡荣江等，原子核物理评论, V28,No.4 (2011) p459 直接编码读出 S. Procureur et al, Nucl. Instr. and Meth. A729(2013)888 中国科学技术大学 核探测与核电子学国家重点实验室 6

7 感应编码读出原理 增加两条感应读出条,1:2条宽 电荷信号按比例分除到下面的感应条上； 对感应信号进行特定地编码合并，缩减信号路数；
阳极条 感应条 增加两条感应读出条,1:2条宽 电荷信号按比例分除到下面的感应条上； 对感应信号进行特定地编码合并，缩减信号路数； 放大成形后，直接用ADC记录。 通过鉴别两路信号的大小关系，用3路读出电子学能确定 路位置，其位置解码如表所示； 任何相邻两个通道的排列方式最多出现一次，不能重复。 一般地，利用n路读出电子学，就可以唯一地确定 路位置。 同理,可以分m条感应条,可编码 条,但要考虑信噪比.以下以两条为例子. 感应编码原理图 幅度大小关系 位置 CH1>CH2 strip1 CH2>CH3 strip2 CH3>CH1 strip3 CH1>CH3 strip4 CH3>CH2 strip5 CH2>CH1 strip6 中国科学技术大学 核探测与核电子学国家重点实验室 7 感应编码解码表

8 二维感应编码读出 1 2 3 4 2×2 pads X1 X2 Y1 Y2 解码 位置 X1>X2 && Y1<Y2 1
阳极读出块 感应块 二维解码表 二维位置编码原理图 块状阳极的反面，增加一个感应块，分成了两大两小四个区域，即将信号一分为四； 一大一小交叉取为X方向的读出信号，另两块为Y方向的读出信号； 按特定的方式进行编码，编码后 X，Y方向分别各有两路信号X1、X2和Y1、Y2 通过X1和X2以及Y1和Y2大小关系组合，可以确定点火的位置，其位置解码如表所示。 同理，2×n路读出电子学，可实现 方阵的pixel读出，也可进行分组编码。 中国科学技术大学 核探测与核电子学国家重点实验室

9 分组感应编码读出 若可能的最大点火多重性为m，可以将阳极条分成m组，利用m×n路读出电子学，可以确定m× 路位置。 为什么要分组？
信号击中在相邻多个条上时，无法确定，需要分组 Micromegas信号的横向扩散 分组感应编码读出原理图 对位置进行分组(图中分A,B,C三组)； 每组分别进行独立的编码合并； 相邻三条同时点火，每一组输出n路信号，共3n路可确定位置。 若可能的最大点火多重性为m，可以将阳极条分成m组，利用m×n路读出电子学，可以确定m× 路位置。 中国科学技术大学 核探测与核电子学国家重点实验室

10 一维感应编码PCB设计 一维设计:100条阳极读出条，11路电子学编码读出
阳极条 width 33mil 一维设计:100条阳极读出条，11路电子学编码读出 9mil 感应条 18mil 一般情况下的一维感应编码设计 阳极条 width 30mil 8mil 10cm*10cm GEM探测器感应编码读出板PCB 感应条 16mil 一维分组设计：100条阳极读出条，分成三组A,B,C，用21路电子学编码读出 一维分组感应编码设计（分三组） 中国科学技术大学 核探测与核电子学国家重点实验室

11 感应编码读出初步测试 信号源Tek3252产生上升沿5ns，下降沿30ns，脉宽30ns，幅度1000mv的脉冲信号，用示波器读出其感应信号。测试其可行性。 耦合电容C，10pf量级 测试等效电路图 中国科学技术大学 核探测与核电子学国家重点实验室

12 不同条宽的感应读出的仿真测试 ① 阳极条宽33mil，间距6mil； 感应条宽33mil，间距6mil
信号大小比~1:1.31 串扰噪声~100mv ② 阳极条宽33mil，间距6mil； 感应条宽27mil，间距12mil。 电荷分配比为7mil:14mil=1:2 信号大小比~1:1.29 串扰噪声~70mv ② 阳极条宽27mil，间距12mil； 感应条宽33mil，间距6mil。 电荷分配比为7mil:14mil=1:2 信号大小比~1:1.27 串扰噪声~40mv 中国科学技术大学 核探测与核电子学国家重点实验室

13 不同条宽的模拟击中感应测试 三种不同条宽的PCB设计，均模拟击中strip5 此三种设计下，均可根据读出信号大小，解码出击中位置
① 阳极条宽33mil，间距6mil； 感应条宽9mil:18mil，间距6mil 实测信号大小比~1:1.25 串扰噪声~200mv ② 阳极条宽33mil，间距6mil； 感应条宽7mil:14mil，间距12mil 实测信号大小比~1:1.2 串扰噪声~160mv 阳极条宽27mil，间距12mil； 感应条宽为7mil:14mil，间距6mil 实测信号大小比~1:1.24 串扰噪声~140mv 此三种设计下，均可根据读出信号大小，解码出击中位置 阳极条间距，对串扰影响较明显；感应条越宽，信号越大； 对后端ADC精度要求高~12bit 中国科学技术大学 核探测与核电子学国家重点实验室

14 二维感应编码PCB设计 5cm*5cm GEM读出 100个阳极读出pad （180mil*180mil） 间距20mil 感应读出块pad
X2 X1 X3 X4 Y1 Y2 Y3 Y4 5cm*5cm GEM读出 100个阳极读出pad （180mil*180mil） 间距20mil 感应读出块pad 大：（85mil*115mil） 小：（85mil*55mil） 间距 10mil 连接感应pad形成二维读出 8个通道实现100个阳极pad的编码读出 设计需要盲孔

15 二维感应读出的仿真测试 可正确解码出击中位置 感应信号很小，最大信号约2% 前端电路低噪声要求 后端ADC精度要求高 PCB制作工艺要求高
输入信号幅值为1000mv 最大信号为17-18mv 次大信号为10-12mv 串扰为3.5mv 可正确解码出击中位置 感应信号很小，最大信号约2% 前端电路低噪声要求 后端ADC精度要求高 PCB制作工艺要求高 中国科学技术大学 核探测与核电子学国家重点实验室

16 感应编码小结 减少大量电子学通道 理论上，n通道可编码读出n(n-1)个读出条，分组也可观； 规范了编码，可快速准确编码和解码；
一维100条strips，感应编码最少需要11通道读出，分3组编码需要20通道 规范了编码，可快速准确编码和解码； 一维感应编码初步测试与仿真结果相似，可实现 串扰噪声较大，但信号大小仍可比较，可正确解码出击中位置； 二维感应编码实际应用难度较大 感应信号小（约2%），PCB设计工艺要求高 降低了信噪比，较高的前端电子学要求 低噪声前放+高精度ADC 不能鉴别多事例同时击中多个读出条 中国科学技术大学 核探测与核电子学国家重点实验室

17 直接编码读出原理 阳极读出条 通常情况下，一个事例信号会被至少两个相邻条读取到；因此采用如右的组合方式编码,放大成形后，直接用ADC记录，根据读出各通道信号，则可以唯一地确定信号击中的相邻条位置。 若A,E通道有信号，则可以确定击中位置在5，6条 如图，5路读出可编码11个读出条的位置； n通道读出电子学，对应有 种无序组合，则可编码确定 +1个读出条的位置。 电荷重心法依然有效，可得到较小的分辨率 同理，此方法可扩展到二维。 一般地,对于击中m条,则可编码约 条读出条. 一维直接编码原理图 A1 B2 C3 D4 E5 A6 C7 E8 B9 D10 A11 一维直接编码读出解码表 中国科学技术大学 核探测与核电子学国家重点实验室

18 直接编码PCB设计与仿真 5cm*5cm GEM读出 40条阳极strip条读出 35mil条宽，间距15mil
10个通道实现40个阳极条的直接编码读出 设计较为简单 直接编码PCB设计图 二维设计也同理 中国科学技术大学 核探测与核电子学国家重点实验室

19 一维直接读出的仿真测试 仿真工具:Cadence + ANSYS SIwave+ANSYS Designer 可正确解码出击中位置
直接编码仿真串扰信号 直接编码仿真信号 可正确解码出击中位置 信号几乎无损失 串扰小 设计较为简单 可实际大面积制作 编码合并后，阻抗不匹配 串扰为10mv，约为1% 中国科学技术大学 核探测与核电子学国家重点实验室

20 直接编码小结 减少大量电子学通道 理论上，n通道可编码读出n(n-1)/2 +1个读出条； 规范了编码，可快速实现解码和编码；
一维100条strips，直接编码最少需要15通道 规范了编码，可快速实现解码和编码； 信号几乎无损失，一维二维均可实现 串扰噪声小，编码后直接读出信号，可正确解码出击中位置； 设计简单，易于制作大面积探测器 Scaly：61通道实现了50cm*50cm micromegas探测器1024strip读出，cluster size<15条 不能鉴别多事例同时击中多个读出条 中国科学技术大学 核探测与核电子学国家重点实验室

21 总结与进展 节省大量读出电子学通道，可用于制作大面积气体探测器 制定了编码规范，可快速实现解码编码；
感应编码n— ,100通道-9900条，直接编码n— , 100通道-4950条; 更适用于位置测量，电荷测量精度较差； 电荷重心法仍然适用。 制定了编码规范，可快速实现解码编码； 快速定位击中位置，简化算法，易于实现。 设计了感应编码和直接编码两种读出方式，通过初步测试和仿真，验证了可行性 与科大，国科大GEM探测器调试，进一步验证和实现 中国科学技术大学 核探测与核电子学国家重点实验室

22 Thanks 中国科学技术大学 核探测与核电子学国家重点实验室