基于APV25芯片的GEM探測器讀出電子學系統的測試與改進

胡守揚，蹇司玉，周 靜，單 超，李興隆，李 霞，周 意，李笑梅,*

(1.中國原子能科學研究院 核數據重點實驗室，北京 102413；

2.中國科學技術大學 核探測與核電子學國家重點實驗室，安徽 合肥 230026)

氣體電子倍增器(GEM)[1]是近幾年由歐洲核子研究中心(CERN)發展起來的一種新型的高性能氣體探測器，具有優異的位置分辨(百微米量級)和良好的耐輻照、耐磁場性能等。目前GEM已成為新一代微結構氣體探測器的主要發展方向，近年來在國際上得到迅速發展。在高能物理與核物理領域GEM有多方面的應用前景，如位置靈敏射線探測器、中子照相、醫學生物學成像以及天體物理實驗探測器等。中國在建的大科學裝置和參與的幾個大的國際實驗合作探測器升級均將用到GEM探測器。

GEM探測器讀出電子學系統是GEM探測器十分重要的部分。電子學系統包括數據采集、整形、濾波、放大、模擬數字變換(ADC)[2]、數據處理等部分。在大型的探測器實驗中，龐大的電子學系統易造成系統不穩定。然而，面積越大、分辨率越高的探測，越需要多的電子學通道。如何制造出低成本、高性能、體積小、干擾小、防輻射的優秀電子學讀出系統，具有非常重要的意義。讀出電子學芯片APV25[3]具有集成度高、體積小、通道多等優點。每塊芯片可并行處理128路探測器原始數據。芯片采用模擬讀出系統，相對于數字系統較為復雜。采用模擬讀出需采用模擬管道進行事件的緩沖而不是采用簡單的數字寄存器。同時，模擬讀出方式也對探測器的數據傳輸媒介提出了更高的要求，因為模擬信號遠比數字信號更易受到衰減和噪聲的影響。然而，采用模擬讀出系統能獲得更好的物理性能。本文采用讀出電子學芯片APV25進行讀出系統調試，以獲得系統在40 MHz和20 MHz工作頻率下的理想數據。并對軟件配置進行優化，對硬件進行改進，以降低噪聲水平，提高信噪比。

1 APV25芯片

APV25采用0.25 μm硅CMOS技術[4]，實現了多通道高精度探測器數據讀出。該芯片包含128路前置放大和整形，每組128路探測器通道的原始數據由APV25芯片并行地進行采樣，并在芯片中對信號進行放大，對信號脈沖進行整形，之后將數據存放到模擬通道中。在收到觸發控制系統的觸發信號時，對模擬通道中對應的信息進行進一步處理后，采用標準幀格式進行多路復用輸出。

APV25芯片采用深亞微米CMOS工藝，因為其固有的優勢，是第1個應用在高能物理領域的核心集成電路。APV25除包含模擬電路外還包含數字電路，每個在CMOS設備中的邏輯門[2]包含1對N型和P型晶體管，在任何時刻，只有其中1個是導通的，僅在邏輯門處于數字邏輯狀態時才有電流消耗。這種設計有助于減少芯片的總功耗。

同時，小的特征尺寸使APV25電路適合在僅7.1 mm×8.2 mm的死區中，導致了高固有輻射公差。由于CMOS電子學的輻照損傷主要是由電離離子穿過柵極氧化物晶體管所產生的電子空穴對產生，當電子迅速被內部電場卷積時，空穴在氧化物中有很低的流動性，一定比例的空穴被困在氧化物硅界面上，改變了晶體管的性能。而0.25 μm CMOS門氧化物很薄，使捕獲的正電荷可通過電子隧道效應[5-6]中和，有助于保證APV25在超常輻射水平環境下仍能正常工作。

2 電子學系統及測試

2.1 系統結構

圖1 電子學系統

圖1所示為電子學系統的結構圖。當1個粒子穿過探測器時，探測器上施加的高壓產生一個電壓波動，產生的這個波動信號經濾波器、甄別器與邏輯單元的處理轉換成合適的信號作為觸發信號輸送到多用途數字轉換器(MPD)[7]與VME[8]控制器。當MPD收到觸發信號時，向APV25發出觸發信號，相應的管道被標記以防止被重寫，直到它們被讀出。APV25芯片不斷地對探測器信號進行取樣，保證在模擬管道中的數據是最新的。數據經過模擬脈沖整形處理器(APSP)，在APSP中根據不同的工作模式對信號進行處理。信號經過模擬多路復用器轉換為電流信號。隨后加上起始位、地址位、錯誤標記位信息，并轉換為差分信號，經APV25 I/O口輸出。APV25輸出的數據隨后進入MPD，在其中完成對信號的解碼、數字模擬轉換、數據處理。之后，經處理的數據通過VME總線傳輸到VME控制器，經光纖最終傳輸到計算機，進行數據的進一步處理，完成1次數據的采樣。

在數據獲取系統運行過程中，通過計算機完成對整個系統的配置、控制與監視。在計算機中設置好的配置信息經光纖傳輸到VME控制器中，隨后，VME控制器通過VME總線將配置信息傳輸到MPD中。MPD根據相應的配置信息設定系統的不同工作狀態，并通過HDMI-A線纜控制APV25芯片。HDMI-A線纜不但是MPD到APV25控制信號的橋梁，也是時鐘信號(差分)、觸發信號(差分)的傳輸通道。APV25采集得到的模擬信號經HDMI-B線纜傳輸到MPD。

MPD符合VME64X標準，采用了12位ADC[9]，采樣速率可達5×107s-1。每個MPD最多可容納16塊APV25前端卡。在電子學讀出系統測試中，GEM探測器未加高壓，粒子穿過探測器并未產生信號。所以，采用信號發生器產生的脈沖作為觸發信號，系統采集的是電子學噪聲而不是實際粒子信號。APV25數據經MPD轉換，通過光纖傳入計算機。

2.2 采集系統

數據采集與分析軟件均基于Linux系統。不同的系統和線路有不同的時鐘及延時。因此，每個系統需進行延時和時鐘的校正。APV25采集得到的模擬信號經模擬復用，傳輸到MPD，為得到正確的數據，MPD也需按照相同的頻率進行數據的解析。如果APV25傳輸的信號與MPD的解析時間不匹配，就會造成信號的丟失，無法采集到正確的數據。同時，由于粒子信號上升沿具有重要的意義，所以，需調整觸發信號與粒子到達之間的配合時間，使系統恰好采集到該粒子產生信號的上升沿。因此，也要適當改變信號采集的時間點，使信號采集點能恰好采集到實驗所需數據。

為實現MPD采樣點與APV25數據幀同步，使APV25產生周期的脈沖用于同步，需將MPD采樣的時間點調整到同步脈沖的最高點。圖2所示為系統運行在調試模式下所得到的采樣數據。系統不斷地采集每個通道的數據，在對APV25模擬信號數字化的過程中，對同步脈沖的采樣便形成圖2中的右側峰，對電子學基線的采樣便形成圖2中的左側峰。因此，需調節參量使右側峰出現的位置在橫軸上越大越好。由于左側峰反應的是采集的電子學基線的大小，為獲得更好分辨，左側峰的位置較小為宜，因此，在調節參量時同時需保證圖2中的左側峰在橫軸上的位置較小。在實際的實驗中，通常左側峰的橫坐標位置在700(即ADC采樣得到的值)以下，右側峰的橫坐標位置在2 500～3 000之間。當然，不同的實驗條件可能有不同的結果。

圖2 APV25同步校準模式下采樣計數

2.3 系統改進

通常，1個探測器需使用多個APV25前端卡，為使用方便，在MPD與APV25前端卡之間采用專門設計的集線器基板。基板與APV25前端卡采用MOLEX連接器連接。為適應探測器的需要，每個基板設計可容納5個APV25前端卡?；迮cMPD之間采用HDMI數據線進行控制和數據傳輸，并通過基板為所有的APV25前端卡供電。由于上傳的數據信號為模擬信號，易受干擾，所以線材的接觸良好程度與線材的導電率對信號至關重要。在測試中，為適應不同類型的探測器，設計了不同的APV25前端卡到探測器讀出條的連接器，使探測器集成度更高，更有利于將來大規模的應用。

由于各參量在不同的系統中不同，為能更方便地尋找最合適的工作條件，設計了自動尋找工作參數的程序，程序能自動按照當前的系統尋找到合適的工作條件。

2.4 測試結果

通過測試整套電子學系統，在本底狀態下，得到了不包含和包含模擬信號的數據。在數據采集中，每個事件中連續采樣6次，每次采樣時間間隔為25 ns，輸出ADC值。圖3a示出了采集的電子學噪聲ADC值，本底狀態下電子學基線的ADC值均勻且隨機分布。圖3b示出了在加入模擬信號脈沖情況下的ADC值，由于信號脈沖較寬，有4個采樣區間獲得了信號脈沖，且經過調節延時，出現了脈沖信號的上升沿和峰值，所得數據信噪比高，模擬信號脈沖易被挑選。

圖3 電子學基線ADC值(a)與含模擬信號脈沖ADC值(b)

3 結論

讀出電子學芯片APV25具有很高的集成度，經測試，它可工作在40 MHz的工作頻率下，并具有非常快的時間響應。單個APV25模擬數據通道高達128路，對于有效面積為10 cm×10 cm的GEM探測器進行成像探測[10]，只需x、y方向各兩片APV25前端卡即可獲得好的分辨，極大精簡了電子學線路。且APV25具有良好的抗輻射性能，能工作在高劑量輻射環境中，為未來大面積探測器的電子學讀出提供了保證。由于APV25是目前最先進的用于數據采集的ASIC芯片之一，集成度高、體積小，可精簡線路，在以后的電子學采集系統設計中可做成便攜式可移動的采集系統。同時，本測試對APV25前端卡的集線器基板進行了改進，并對共地線路進行了優化。本次對APV25電子學系統的測試與改進，為以后電子學設計和搭建提供了更多參考。

參考文獻：

[1] SAULI F. GEM: A new concept for electron amplification in gas detectors[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 1997, 386: 531-534.

[2] 閻石. 數字電子技術基礎[M]. 5版. 北京: 高等教育出版社，2006.

[3] LAWRENCE J. APV25-S1 user guide[M/OL]. [2001-09-05]. http:∥indico.cern.ch/event/283113/session/2/contribution/25/material/3/0.pdf.

[4] FRENCH M J, JONES L L, MORRISSEY Q, et al. Design and results from the APV25: A deep sub-micron CMOS front-end chip for the CMS tracker[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 2001, 466: 359-365.

[5] 周世勛. 量子力學簡明教程[M]. 北京:人民教育出版社，1979：44-50.

[6] 曾謹言. 量子力學(卷Ⅰ)[M]. 3版. 北京：科學出版社，2000：98-103.

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[8] American National Standards Institute. IEEE Std 1014-1987[S]. New York: Institute of Electrical and Electronics Engineers, 1987.

[9] Texas Instruments. ADS5281[M/OL]. [S. l.]: [s. n.]. http:∥www.ti.com.cn/product/cn/ads5281.

[10] LU Xinyu, FAN Ruirui, CHEN Yuanbo, et al. Study of measuring methods on spatial resolution of a GEM imaging detector[J]. Chinese Physics C, 2012, 36(3): 228-234.