高能物理中常用电荷测量方法

1. 高能物理中常用电荷测量方法 第十五届全国核电子学与探测技术学术年会 江晓山 中国科学院“核探测技术与核电子学”重点实验室 中国科学院高能物理研究所 2010年 8月14日

2. 电荷量的测量 • 密立根油滴实验 • 基本电荷的确定 • 精确测量带电微粒电荷量的开端 • e＝1.602×10-19C 密立根 （R. A. Millikan）

3. 高能物理实验中的电荷测量 • 粒子通过探测器时使探测器产生电离、激发光或光电转换等过程，在探测器的电接收端收集或者感应出电子和正电荷，通过外接流动通道形成需要测量的电信号。根据探测的机理，目前常用探测器输出均为电流信号 • 探测器输出信号的电荷量与粒子在探测器中消耗掉的能量有一定对应关系，通常情况为正比关系 • 得到的电子电荷的平均数=能量电荷转换系数 x 粒子在探测器中消耗掉的能量

4. 电荷测量系统的基本结构 • 传统电荷测量系统，从接收到探测器的信号到最终得到数字量结果，大致分为三部分 • 前置放大器及成型 • 主放大器、成型和电缆传输 • 电压到数字量的转换 • 从方法上也可以分为积分型电荷测量和电流型电荷测量两种

5. 传统前置放大器理论 • 由于探测器的输出阻抗往往比后接电路的输入阻抗大得多，可以等效为一个电流源。让探测器的输出电流i对一个固定电容充电即可以实现电荷电压转换： • 基本的转换方法包括 • 电流灵敏放大器方法 • 电压灵敏放大器方法 • 电荷灵敏放大器方法

6. 电流灵敏放大器 • 采用电流灵敏放大器。这种方法就是将一个电流放大器接在探测器和积分电容之间。电流灵敏放大器不但可以测量电荷量，还可以获取精确的时间信息，但要求放大器有较大的带宽。

7. 电压灵敏放大器方法 • 这种方法就是将一个电压放大器直接接在探测器的输出端，以并联在放大器输入端的探测器输出电容、放大器输入电容和分布电容作为电荷充电电容来实现电荷到电压的转换过程。由于杂散电容的不稳定性，这种方法的稳定性差。因此电压灵敏放大器方法难于满足测量对于准确性、稳定性和信噪比等方面较高的要求。

8. 电荷灵敏放大器 • 为了解决探测器电容及分布电容变化对信号测量的影响，往往在高精度电荷测量中使用电荷灵敏放大器的方法。 • 在满足ACf>>Ci的条件下，放大器的最高输出电压与输入电荷的关系为：

9. 电荷灵敏放大器 • 在电荷灵敏前放中，Cf起到电荷积累的作用。为了单独测量每一个脉冲，在Cf上并联了Rf作为放电电阻。 • 由于存在Rf，同样的输入电荷，输入脉冲越宽，时间常数RfCf越小，输出电压脉冲的幅度越小。 • 同时Rf越小，噪声越大，因此Rf选择的原则是在不发生严重堆积和饱和的情况下，尽量将Rf值选大。

10. Fig. 1 具有两级放大的电荷灵敏放大电路 基于电荷灵敏放大器的扩展结构 • 对应于不同的应用，在实际使用中有很多种改进型的前放。Fig.1 是BNL于2004年用ASIC 技术研制成功的具有两级放大的电荷灵敏放大电路。

11. 主放大器、成形和电缆传输 • 主放大器、成形和电缆传输根据具体的应用会有很大不同。 • 通常情况下的应用为前置放大器将信号放大成形到可以驱动电缆传输的程度，经过一定距离的电缆传输送到主放大器，由主放大器进行进一步放大和成形调整，以适应后面电压数字量变换的需要。

12. 成形滤波 • 从字面上可以这样定义：用来滤除噪声的电路称为滤波器；用来使信号成为某种形状的电路称为成形电路。但往往滤波成形电路在实际中同时具有双重功能。 • 滤波成形电路有多种形式，对于线性系统理论上存在最佳滤波器，对于电荷灵敏前放，在实际电路设计中采用多级RC积分电路作为最佳滤波器的简单近似。 • 由于成形滤波的具体理论十分复杂，在这里不做详细介绍

13. 电压到数字量的变换 • 目前电压到数字量转换的方法和器件有很多种，在高能物理实验中常用到的包括： • 高速采样ADC • 高精度ADC • 不同的ADC对应于不同的方案选择 • 例如，电荷灵敏前放更希望使用高精度ADC • 而数字积分型的电荷测量方案将会选择高速采样 ADC • ADC的具体结构及设计在这里不做介绍

14. 非传统的电荷测量方法 • 对于小规模的粒子探测系统而言，传统的电荷测量方法已经可以满足绝大部分实验的需要；而对于大规模的粒子探测系统而言，出于对系统结构、通道数、功耗、测量精度和信号率问题的考虑，出现了很多种不同于传统电荷测量的方法的方法 • 包括 • 数值积分 • QTC • TOT • 开关电容阵列

15. 数值积分 • 数值积分是采用数值方法替代电容的模拟积分，以消除电容器带来的问题 • 首先采用电压型或者跨阻型前放，得到与探测器输出电流对应的电压波形，之后经过适当成型后输入到高速ADC中，高速ADC按照时钟进行采样， 按时钟节拍对成形后的信号不间断地进行瞬间取样和数字化，当触发判选有效时，再对这些数字化的结果进行积分，即令： • S = k • 这里S即为输入信号的面积，它与输入信号的电荷量成正比。式中，T是取样时钟(Clock) 的周期，k是比例因子，可由在线刻度给出。

16. QTC • 将探测器输出的电荷量变换为宽度与电荷量成正比的脉冲信号，之后用时间数字量变换器（TDC）测量脉冲宽度，从而推算出电荷量。Belle CDC和CLEO_C均采用这种方式。

17. TOT • TOT（Time Over Threshold），是采用时间测量来测量波形信息的方法，而测量的信息同时包涵了时间信息和电荷量信息。 • 这种方法更多应用于需要同时测量时间及电荷的情况，并且这种方法更倾向于测量时间信息。 • 这里介绍一种实际应用 • NINO

18. TOT-NINO • NINO是由CERN开发一块芯片的名称，它采用了直接信号成型的方法，首先采用跨阻放大器将电流信号转变为电压信号，之后采用正反馈放大的方法对信号进行成型，最后给出宽度与电荷量成一定关系的脉冲信号，通过高精度时间测量推算出电荷量信息。

19. 电容开关阵列 • 电容开关阵列应用于某些极高密度探测器中，例如微气隙气体探测器，其原理是使用探测器的输出电流对电容直接积分，采用开关控制对某个电容上的积分电压进行读取。由于采用电容直接积分，探测器和模拟开关的电容及漏电流成为影响电荷测量精度的重要因素。

20. 大型谱仪实验中的电荷测量 • 电荷测量是大型普仪实验的基本测量，目前世界上有非常多的电荷测量系统在同时运行着，这里只介绍我所熟悉的BES上的三个大型电荷测量系统的电荷测量方法 • BESIII中量能器的电荷测量方法 • BESIII中漂移室的电荷测量方法 • BESIII中飞行时间探测器电荷测量方法

21. BESIII 量能器电子学 • 电磁量能器读出电子学的主要功能是测量电荷量，从而确定粒子在CsI晶体中的能量损失，同时给出粗略的粒子击中晶体的时间信息。 • 读出电子学采用传统的电荷测量方法。首先对电荷信号进行积分，积分后的信号经过放大、CR-(RC)3成形后，信号波形的峰值电压与电荷量成正比。通过对峰值电压的测量得到待测的电荷量，根据峰位出现的时刻，可以得到粒子击中晶体的时间。

22. BESIII 量能器电子学的结构

23. BESIII 量能器电荷量的获取 量能器输出的电荷信号，经过放大成形后成形为一个准高斯波形，其信号峰值正比于入射粒子沉积在探测器中的能量。成形后的信号同时送给3个放大倍数分别为1/2倍，2倍，16倍的放大器，分为3路不同幅度的脉冲信号，每路信号分别用1个10Bit的ADC对波形以20MHz的时钟频率采样。这就是使用三个量程10bit的FADC来满足系统15bit动态范围的设计方案。

24. BESIII 量能器的最终性能指标 • 电子学数字化动态范围：15bit • • 系统噪声： <1000个电子电荷 • • 电子学辨率（1GeV）： <2‰ • • 系统串扰： <1.5‰ • • 量程非线性： <2‰ • • 台基长期稳定性： 1 LSB/80小时

25. BESIII 量能器电子学系统

26. BESIII中漂移室的电荷测量方法 • 漂移室测量的对象是漂移室信号丝收集的信号，信号波形为1/t波形的叠加，信号没有固定形状，需要同时测量时间和电荷。系统中选用了跨阻型的前置放大器，信号经过电缆传输后在主放大器分成两部分，一部分成型后使用快速ADC进行采样，在FPGA内进行数值积分，另一部分送给时间测量。

27. BESIII中漂移室电子学的结构

28. BESIII中漂移室电荷量的获取 • 漂移室的输出信号经过主放及成型后，在FPGA内部实时进行电荷量的计算，所进行的处理包括：实时求基线，基线比较确定信号，信号数值积分和自动扣除基线等步骤。

29. BESIII中漂移室最终的性能指标

30. BESIII中飞行时间探测器电荷测量方法 • 飞行时间探测器主要测试对象是时间信息，电荷测量电路用来测量信号的幅度，以修正时间游动效应。电荷测量方案是首先采用电荷－时间转换，然后用HPTDC测量时间。

31. BESIII中飞行时间探测器电子学结构

32. BESIII中飞行时间探测器电荷量的获取 信号经过差分到单端变换之后，对电容C进行充电，并且同时以恒流放电，A2放大器输出信号与阈值进行比较，最终形成的脉冲信号宽度与输入信号所携带的电荷量成比例关系。 2010/08/15 32 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

33. BESIII中飞行时间探测器电荷量的最终指标 • 性能 • 动态范围30-927pC • 相当于180mV~ >5V的PMT（R5942）信号 • 有效位~10bit • 相当于10mV (R5924)

34. 小结 • 本报告非常粗略地回顾了一下电荷测量的基本方法，简单介绍了国内某几个大型高能物理实验中电荷测量的应用。 • 近几十年来，在电荷测量的基本理论上没有很大变化，基本是通过采用新技术，来实现更大规模、更高精度、更低功耗的系统设计。在没有理论突破的前提下，这也将是近期发展的主线。

35. 展望 • 对于未来的发展，本人认为有两个趋势 • 一、已经确定的趋势是，信号测量前端化，由于大量使用了ASIC技术，前端电子学可以极端地靠近探测器，从而使通道密度和信号测量的质量及能力极大提高； • 二、也许会成为趋势的趋势是，模拟测量数字化，随着采样技术的不断提高，可以预见，在解决了一系列技术问题后，从探测器输出电流到转化为数字波形的过程将被极大压缩，“零噪声”的纯数字化信号获取及处理系统也许会改变目前基于模拟电路进行电荷测量的理论体系。

36. 参考资料 • 清华版“核电子学讲义” • BESIII EMC电子学系统研制报告 • BESIII MDC电子学系统研制报告 • BESIII TOF电子学系统研制报告 • The non-gated charge-to-time converter for TOF detector in BES III，S.B. Liu, C.Q. Feng, L.F. Kang, etc. NIM A 621 (2010) 513–518 • BESIII电磁量能器电荷测量的研究，博士学位论文，常劲帆

37. 完 • 谢谢大家！