高能物理中常用電荷測量方法

1、高能物理中常用電荷測量方法,第十五屆全國核電子學與探測技術學術年會江曉山中國科學院“核探測技術與核電子學”重點實驗室中國科學院高能物理研究所2010年 8月14日,電荷量的測量,密立根油滴實驗基本電荷的確定精確測量帶電微粒電荷量的開端e＝1.602×10-19C,密立根（R. A. Millikan）,高能物理實驗中的電荷測量,粒子通過探測器時使探測器產(chǎn)生電離、激發(fā)光或光電轉換等過程，在探測器的電接收端收集或

2、者感應出電子和正電荷，通過外接流動通道形成需要測量的電信號。根據(jù)探測的機理，目前常用探測器輸出均為電流信號探測器輸出信號的電荷量與粒子在探測器中消耗掉的能量有一定對應關系，通常情況為正比關系得到的電子電荷的平均數(shù)=能量電荷轉換系數(shù) x 粒子在探測器中消耗掉的能量,電荷測量系統(tǒng)的基本結構,傳統(tǒng)電荷測量系統(tǒng)，從接收到探測器的信號到最終得到數(shù)字量結果，大致分為三部分前置放大器及成型主放大器、成型和電纜傳輸電壓到數(shù)字量的轉換從方法上

3、也可以分為積分型電荷測量和電流型電荷測量兩種,傳統(tǒng)前置放大器理論,由于探測器的輸出阻抗往往比后接電路的輸入阻抗大得多，可以等效為一個電流源。讓探測器的輸出電流i對一個固定電容充電即可以實現(xiàn)電荷電壓轉換：基本的轉換方法包括電流靈敏放大器方法電壓靈敏放大器方法電荷靈敏放大器方法,電流靈敏放大器,采用電流靈敏放大器。這種方法就是將一個電流放大器接在探測器和積分電容之間。電流靈敏放大器不但可以測量電荷量，還可以獲取精確的時間信息，

4、但要求放大器有較大的帶寬。,電壓靈敏放大器方法,這種方法就是將一個電壓放大器直接接在探測器的輸出端，以并聯(lián)在放大器輸入端的探測器輸出電容、放大器輸入電容和分布電容作為電荷充電電容來實現(xiàn)電荷到電壓的轉換過程。由于雜散電容的不穩(wěn)定性，這種方法的穩(wěn)定性差。因此電壓靈敏放大器方法難于滿足測量對于準確性、穩(wěn)定性和信噪比等方面較高的要求。,電荷靈敏放大器,為了解決探測器電容及分布電容變化對信號測量的影響，往往在高精度電荷測量中使用電荷靈敏放大器的方

5、法。在滿足ACf>>Ci的條件下，放大器的最高輸出電壓與輸入電荷的關系為：,電荷靈敏放大器,在電荷靈敏前放中，Cf起到電荷積累的作用。為了單獨測量每一個脈沖，在Cf上并聯(lián)了Rf作為放電電阻。由于存在Rf，同樣的輸入電荷，輸入脈沖越寬，時間常數(shù)RfCf越小，輸出電壓脈沖的幅度越小。同時Rf越小，噪聲越大，因此Rf選擇的原則是在不發(fā)生嚴重堆積和飽和的情況下，盡量將Rf值選大。,基于電荷靈敏放大器的擴展結構,對應于不同的應用

6、，在實際使用中有很多種改進型的前放。Fig.1 是BNL于2004年用ASIC 技術研制成功的具有兩級放大的電荷靈敏放大電路。,Fig. 1 具有兩級放大的電荷靈敏放大電路,主放大器、成形和電纜傳輸,主放大器、成形和電纜傳輸根據(jù)具體的應用會有很大不同。通常情況下的應用為前置放大器將信號放大成形到可以驅(qū)動電纜傳輸?shù)某潭?，?jīng)過一定距離的電纜傳輸送到主放大器，由主放大器進行進一步放大和成形調(diào)整，以適應后面電壓數(shù)字量變換的需要。,成形濾波

7、,從字面上可以這樣定義：用來濾除噪聲的電路稱為濾波器；用來使信號成為某種形狀的電路稱為成形電路。但往往濾波成形電路在實際中同時具有雙重功能。濾波成形電路有多種形式，對于線性系統(tǒng)理論上存在最佳濾波器，對于電荷靈敏前放，在實際電路設計中采用多級RC積分電路作為最佳濾波器的簡單近似。由于成形濾波的具體理論十分復雜，在這里不做詳細介紹,電壓到數(shù)字量的變換,目前電壓到數(shù)字量轉換的方法和器件有很多種，在高能物理實驗中常用到的包括：高速采樣AD

8、C高精度ADC不同的ADC對應于不同的方案選擇例如，電荷靈敏前放更希望使用高精度ADC而數(shù)字積分型的電荷測量方案將會選擇高速采樣 ADCADC的具體結構及設計在這里不做介紹,非傳統(tǒng)的電荷測量方法,對于小規(guī)模的粒子探測系統(tǒng)而言，傳統(tǒng)的電荷測量方法已經(jīng)可以滿足絕大部分實驗的需要；而對于大規(guī)模的粒子探測系統(tǒng)而言，出于對系統(tǒng)結構、通道數(shù)、功耗、測量精度和信號率問題的考慮，出現(xiàn)了很多種不同于傳統(tǒng)電荷測量的方法的方法包括數(shù)值積分QT

9、CTOT開關電容陣列,數(shù)值積分,數(shù)值積分是采用數(shù)值方法替代電容的模擬積分，以消除電容器帶來的問題首先采用電壓型或者跨阻型前放，得到與探測器輸出電流對應的電壓波形，之后經(jīng)過適當成型后輸入到高速ADC中，高速ADC按照時鐘進行采樣，按時鐘節(jié)拍對成形后的信號不間斷地進行瞬間取樣和數(shù)字化，當觸發(fā)判選有效時，再對這些數(shù)字化的結果進行積分，即令： S = k這里S即為輸入信號的面積，它與輸入信號的電荷量成正比。

10、式中，T是取樣時鐘(Clock) 的周期，k是比例因子，可由在線刻度給出。,QTC,將探測器輸出的電荷量變換為寬度與電荷量成正比的脈沖信號，之后用時間數(shù)字量變換器（TDC）測量脈沖寬度，從而推算出電荷量。Belle CDC和CLEO_C均采用這種方式。,TOT,TOT（Time Over Threshold），是采用時間測量來測量波形信息的方法，而測量的信息同時包涵了時間信息和電荷量信息。這種方法更多應用于需要同時測量時間及電荷的情況

11、，并且這種方法更傾向于測量時間信息。這里介紹一種實際應用NINO,TOT-NINO,NINO是由CERN開發(fā)一塊芯片的名稱，它采用了直接信號成型的方法，首先采用跨阻放大器將電流信號轉變?yōu)殡妷盒盘?，之后采用正反饋放大的方法對信號進行成型，最后給出寬度與電荷量成一定關系的脈沖信號，通過高精度時間測量推算出電荷量信息。,電容開關陣列,電容開關陣列應用于某些極高密度探測器中，例如微氣隙氣體探測器，其原理是使用探測器的輸出電流對電容直接積分，

12、采用開關控制對某個電容上的積分電壓進行讀取。由于采用電容直接積分，探測器和模擬開關的電容及漏電流成為影響電荷測量精度的重要因素。,大型譜儀實驗中的電荷測量,電荷測量是大型普儀實驗的基本測量，目前世界上有非常多的電荷測量系統(tǒng)在同時運行著，這里只介紹我所熟悉的BES上的三個大型電荷測量系統(tǒng)的電荷測量方法BESIII中量能器的電荷測量方法BESIII中漂移室的電荷測量方法BESIII中飛行時間探測器電荷測量方法,BESIII 量能器電子

13、學,電磁量能器讀出電子學的主要功能是測量電荷量，從而確定粒子在CsI晶體中的能量損失，同時給出粗略的粒子擊中晶體的時間信息。讀出電子學采用傳統(tǒng)的電荷測量方法。首先對電荷信號進行積分，積分后的信號經(jīng)過放大、CR-(RC)3成形后，信號波形的峰值電壓與電荷量成正比。通過對峰值電壓的測量得到待測的電荷量，根據(jù)峰位出現(xiàn)的時刻，可以得到粒子擊中晶體的時間。,BESIII 量能器電子學的結構,,BESIII 量能器電荷量的獲取,量能器輸出的電荷

14、信號，經(jīng)過放大成形后成形為一個準高斯波形，其信號峰值正比于入射粒子沉積在探測器中的能量。成形后的信號同時送給3個放大倍數(shù)分別為1/2倍，2倍，16倍的放大器，分為3路不同幅度的脈沖信號，每路信號分別用1個10Bit的ADC對波形以20MHz的時鐘頻率采樣。這就是使用三個量程10bit的FADC來滿足系統(tǒng)15bit動態(tài)范圍的設計方案。,BESIII 量能器的最終性能指標,電子學數(shù)字化動態(tài)范圍：15bit? 系統(tǒng)噪聲：

15、 <1000個電子電荷? 電子學辨率（1GeV）： <2‰? 系統(tǒng)串擾： <1.5‰? 量程非線性： <2‰? 臺基長期穩(wěn)定性： 1 LSB/80小時,BESIII 量能器電子學系統(tǒng),BESIII中漂移室的電荷測量方法,漂移室測量的對象是漂移室信號絲收集的信號，信號波形為1/t波形的疊加，信號沒有固定形狀，需要同時測量時間和電荷。系統(tǒng)中選用了跨阻型的前

16、置放大器，信號經(jīng)過電纜傳輸后在主放大器分成兩部分，一部分成型后使用快速ADC進行采樣，在FPGA內(nèi)進行數(shù)值積分，另一部分送給時間測量。,BESIII中漂移室電子學的結構,漂移室的輸出信號經(jīng)過主放及成型后，在FPGA內(nèi)部實時進行電荷量的計算，所進行的處理包括：實時求基線，基線比較確定信號，信號數(shù)值積分和自動扣除基線等步驟。,BESIII中漂移室電荷量的獲取,BESIII中漂移室最終的性能指標,BESIII中飛行時間探測器電荷測量方法,飛行

17、時間探測器主要測試對象是時間信息，電荷測量電路用來測量信號的幅度，以修正時間游動效應。電荷測量方案是首先采用電荷－時間轉換，然后用HPTDC測量時間。,BESIII中飛行時間探測器電子學結構,2010/08/15,32,Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS,BESIII中飛行時間探測器電荷量的獲取,信號經(jīng)過差分到單端變換之后

18、，對電容C進行充電，并且同時以恒流放電，A2放大器輸出信號與閾值進行比較，最終形成的脈沖信號寬度與輸入信號所攜帶的電荷量成比例關系。,BESIII中飛行時間探測器電荷量的最終指標,性能動態(tài)范圍30-927pC相當于180mV~ >5V的PMT（R5942）信號有效位~10bit相當于10mV (R5924),小結,本報告非常粗略地回顧了一下電荷測量的基本方法，簡單介紹了國內(nèi)某幾個大型高能物理實驗中電荷測量的應用。近幾十年

19、來，在電荷測量的基本理論上沒有很大變化，基本是通過采用新技術，來實現(xiàn)更大規(guī)模、更高精度、更低功耗的系統(tǒng)設計。在沒有理論突破的前提下，這也將是近期發(fā)展的主線。,展望,對于未來的發(fā)展，本人認為有兩個趨勢一、已經(jīng)確定的趨勢是，信號測量前端化，由于大量使用了ASIC技術，前端電子學可以極端地靠近探測器，從而使通道密度和信號測量的質(zhì)量及能力極大提高；二、也許會成為趨勢的趨勢是，模擬測量數(shù)字化，隨著采樣技術的不斷提高，可以預見，在解決了一系列技

20、術問題后，從探測器輸出電流到轉化為數(shù)字波形的過程將被極大壓縮，“零噪聲”的純數(shù)字化信號獲取及處理系統(tǒng)也許會改變目前基于模擬電路進行電荷測量的理論體系。,參考資料,清華版“核電子學講義”BESIII EMC電子學系統(tǒng)研制報告BESIII MDC電子學系統(tǒng)研制報告BESIII TOF電子學系統(tǒng)研制報告The non-gated charge-to-time converter for TOF detector in BES III，