高能物理中常用电荷测量方法

合集下载
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。

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。
正电源
+
电压放大器 探测器 探测器 电容 放大器 分布 输入电 电容 容
负电源
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:
Rf Cf
A
Ii

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
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

BESIII中飞行时间探测器电子学结构
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
Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

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: D D S = k 2 T 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。


谢谢大家!
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
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
32
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)
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。

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。
R2 R1 C Rn
ADC
Cn
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
15-2400fc 0.67%
电荷分辨
电荷测量动态范围 电荷积分非线性
时间分辨 时间测量动态范围
时间积分非线性
0.5ns 0-500ns
0.5%
95ps 0-500ns
0.02%
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。
+ V0 -
Q V0 Cf
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。
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
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
BESIII 量能器电子学系统
BESIII中漂移室的电荷测量方法
N i i 1 i 1
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。
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

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。
BESIII中漂移室电子学的结构
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
展望

wk.baidu.com
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。
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

NINO
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。
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。
Rf Cf
A
Ii
+ V0 -
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。
Fig. 1 具有两级放大的电荷灵敏放大 电路
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。
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:
idt Q CU

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
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。
放大成形
ADC
寻峰 缓存
V M E
·
探测器
前置放大器
主放大器
电荷测量
BESIII 量能器电子学的结构
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。
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
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)
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。
BESIII中漂移室最终的性能指标
项目 设计要求
8 fc
15-2400fc 2%
实际测量
6.73 fc
相关文档
最新文档