高能物理中常用電荷測(cè)量方法

1、高能物理中常用電荷測(cè)量方法,第十五屆全國(guó)核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)學(xué)術(shù)年會(huì)江曉山中國(guó)科學(xué)院“核探測(cè)技術(shù)與核電子學(xué)”重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所2010年 8月14日,電荷量的測(cè)量,密立根油滴實(shí)驗(yàn)基本電荷的確定精確測(cè)量帶電微粒電荷量的開(kāi)端e＝1.602×10-19C,密立根（R. A. Millikan）,高能物理實(shí)驗(yàn)中的電荷測(cè)量,粒子通過(guò)探測(cè)器時(shí)使探測(cè)器產(chǎn)生電離、激發(fā)光或光電轉(zhuǎn)換等過(guò)程，在探測(cè)器的電接收端收集或

2、者感應(yīng)出電子和正電荷，通過(guò)外接流動(dòng)通道形成需要測(cè)量的電信號(hào)。根據(jù)探測(cè)的機(jī)理，目前常用探測(cè)器輸出均為電流信號(hào)探測(cè)器輸出信號(hào)的電荷量與粒子在探測(cè)器中消耗掉的能量有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系，通常情況為正比關(guān)系得到的電子電荷的平均數(shù)=能量電荷轉(zhuǎn)換系數(shù) x 粒子在探測(cè)器中消耗掉的能量,電荷測(cè)量系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu),傳統(tǒng)電荷測(cè)量系統(tǒng)，從接收到探測(cè)器的信號(hào)到最終得到數(shù)字量結(jié)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(zhuǎn)換從方法上

3、也可以分為積分型電荷測(cè)量和電流型電荷測(cè)量?jī)煞N,傳統(tǒng)前置放大器理論,由于探測(cè)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(gè)電流源。讓探測(cè)器的輸出電流i對(duì)一個(gè)固定電容充電即可以實(shí)現(xiàn)電荷電壓轉(zhuǎn)換：基本的轉(zhuǎn)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(gè)電流放大器接在探測(cè)器和積分電容之間。電流靈敏放大器不但可以測(cè)量電荷量，還可以獲取精確的時(shí)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(gè)電壓放大器直接接在探測(cè)器的輸出端，以并聯(lián)在放大器輸入端的探測(cè)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(lái)實(shí)現(xiàn)電荷到電壓的轉(zhuǎn)換過(guò)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(cè)量對(duì)于準(zhǔn)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(cè)器電容及分布電容變化對(duì)信號(hào)測(cè)量的影響，往往在高精度電荷測(cè)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(guān)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(dú)測(cè)量每一個(gè)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(shí)間常數(shù)RfCf越小，輸出電壓脈沖的幅度越小。同時(shí)Rf越小，噪聲越大，因此Rf選擇的原則是在不發(fā)生嚴(yán)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(kuò)展結(jié)構(gòu),對(duì)應(yīng)于不同的應(yīng)用

6、，在實(shí)際使用中有很多種改進(jìn)型的前放。Fig.1 是BNL于2004年用ASIC 技術(shù)研制成功的具有兩級(jí)放大的電荷靈敏放大電路。,Fig. 1 具有兩級(jí)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(yīng)用會(huì)有很大不同。通常情況下的應(yīng)用為前置放大器將信號(hào)放大成形到可以驅(qū)動(dòng)電纜傳輸?shù)某潭?，?jīng)過(guò)一定距離的電纜傳輸送到主放大器，由主放大器進(jìn)行進(jìn)一步放大和成形調(diào)整，以適應(yīng)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(lái)濾除噪聲的電路稱為濾波器；用來(lái)使信號(hào)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(shí)際中同時(shí)具有雙重功能。濾波成形電路有多種形式，對(duì)于線性系統(tǒng)理論上存在最佳濾波器，對(duì)于電荷靈敏前放，在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中采用多級(jí)RC積分電路作為最佳濾波器的簡(jiǎn)單近似。由于成形濾波的具體理論十分復(fù)雜，在這里不做詳細(xì)介紹,電壓到數(shù)字量的變換,目前電壓到數(shù)字量轉(zhuǎn)換的方法和器件有很多種，在高能物理實(shí)驗(yàn)中常用到的包括：高速采樣AD

8、C高精度ADC不同的ADC對(duì)應(yīng)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(cè)量方案將會(huì)選擇高速采樣 ADCADC的具體結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)在這里不做介紹,非傳統(tǒng)的電荷測(cè)量方法,對(duì)于小規(guī)模的粒子探測(cè)系統(tǒng)而言，傳統(tǒng)的電荷測(cè)量方法已經(jīng)可以滿足絕大部分實(shí)驗(yàn)的需要；而對(duì)于大規(guī)模的粒子探測(cè)系統(tǒng)而言，出于對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、通道數(shù)、功耗、測(cè)量精度和信號(hào)率問(wèn)題的考慮，出現(xiàn)了很多種不同于傳統(tǒng)電荷測(cè)量的方法的方法包括數(shù)值積分QT

9、CTOT開(kāi)關(guān)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(lái)的問(wèn)題首先采用電壓型或者跨阻型前放，得到與探測(cè)器輸出電流對(duì)應(yīng)的電壓波形，之后經(jīng)過(guò)適當(dāng)成型后輸入到高速ADC中，高速ADC按照時(shí)鐘進(jìn)行采樣，按時(shí)鐘節(jié)拍對(duì)成形后的信號(hào)不間斷地進(jìn)行瞬間取樣和數(shù)字化，當(dāng)觸發(fā)判選有效時(shí)，再對(duì)這些數(shù)字化的結(jié)果進(jìn)行積分，即令： S = k這里S即為輸入信號(hào)的面積，它與輸入信號(hào)的電荷量成正比。

10、式中，T是取樣時(shí)鐘(Clock) 的周期，k是比例因子，可由在線刻度給出。,QTC,將探測(cè)器輸出的電荷量變換為寬度與電荷量成正比的脈沖信號(hào)，之后用時(shí)間數(shù)字量變換器（TDC）測(cè)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(shí)間測(cè)量來(lái)測(cè)量波形信息的方法，而測(cè)量的信息同時(shí)包涵了時(shí)間信息和電荷量信息。這種方法更多應(yīng)用于需要同時(shí)測(cè)量時(shí)間及電荷的情況

11、，并且這種方法更傾向于測(cè)量時(shí)間信息。這里介紹一種實(shí)際應(yīng)用NINO,TOT-NINO,NINO是由CERN開(kāi)發(fā)一塊芯片的名稱，它采用了直接信號(hào)成型的方法，首先采用跨阻放大器將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，之后采用正反饋放大的方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行成型，最后給出寬度與電荷量成一定關(guān)系的脈沖信號(hào)，通過(guò)高精度時(shí)間測(cè)量推算出電荷量信息。,電容開(kāi)關(guān)陣列,電容開(kāi)關(guān)陣列應(yīng)用于某些極高密度探測(cè)器中，例如微氣隙氣體探測(cè)器，其原理是使用探測(cè)器的輸出電流對(duì)電容直接積分，

12、采用開(kāi)關(guān)控制對(duì)某個(gè)電容上的積分電壓進(jìn)行讀取。由于采用電容直接積分，探測(cè)器和模擬開(kāi)關(guān)的電容及漏電流成為影響電荷測(cè)量精度的重要因素。,大型譜儀實(shí)驗(yàn)中的電荷測(cè)量,電荷測(cè)量是大型普儀實(shí)驗(yàn)的基本測(cè)量，目前世界上有非常多的電荷測(cè)量系統(tǒng)在同時(shí)運(yùn)行著，這里只介紹我所熟悉的BES上的三個(gè)大型電荷測(cè)量系統(tǒng)的電荷測(cè)量方法BESIII中量能器的電荷測(cè)量方法BESIII中漂移室的電荷測(cè)量方法BESIII中飛行時(shí)間探測(cè)器電荷測(cè)量方法,BESIII 量能器電子

13、學(xué),電磁量能器讀出電子學(xué)的主要功能是測(cè)量電荷量，從而確定粒子在CsI晶體中的能量損失，同時(shí)給出粗略的粒子擊中晶體的時(shí)間信息。讀出電子學(xué)采用傳統(tǒng)的電荷測(cè)量方法。首先對(duì)電荷信號(hào)進(jìn)行積分，積分后的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、CR-(RC)3成形后，信號(hào)波形的峰值電壓與電荷量成正比。通過(guò)對(duì)峰值電壓的測(cè)量得到待測(cè)的電荷量，根據(jù)峰位出現(xiàn)的時(shí)刻，可以得到粒子擊中晶體的時(shí)間。,BESIII 量能器電子學(xué)的結(jié)構(gòu),,BESIII 量能器電荷量的獲取,量能器輸出的電荷

14、信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大成形后成形為一個(gè)準(zhǔn)高斯波形，其信號(hào)峰值正比于入射粒子沉積在探測(cè)器中的能量。成形后的信號(hào)同時(shí)送給3個(gè)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(hào)，每路信號(hào)分別用1個(gè)10Bit的ADC對(duì)波形以20MHz的時(shí)鐘頻率采樣。這就是使用三個(gè)量程10bit的FADC來(lái)滿足系統(tǒng)15bit動(dòng)態(tài)范圍的設(shè)計(jì)方案。,BESIII 量能器的最終性能指標(biāo),電子學(xué)數(shù)字化動(dòng)態(tài)范圍：15bit? 系統(tǒng)噪聲：

15、 <1000個(gè)電子電荷? 電子學(xué)辨率（1GeV）： <2‰? 系統(tǒng)串?dāng)_： <1.5‰? 量程非線性： <2‰? 臺(tái)基長(zhǎng)期穩(wěn)定性： 1 LSB/80小時(shí),BESIII 量能器電子學(xué)系統(tǒng),BESIII中漂移室的電荷測(cè)量方法,漂移室測(cè)量的對(duì)象是漂移室信號(hào)絲收集的信號(hào)，信號(hào)波形為1/t波形的疊加，信號(hào)沒(méi)有固定形狀，需要同時(shí)測(cè)量時(shí)間和電荷。系統(tǒng)中選用了跨阻型的前

16、置放大器，信號(hào)經(jīng)過(guò)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(jìn)行采樣，在FPGA內(nèi)進(jìn)行數(shù)值積分，另一部分送給時(shí)間測(cè)量。,BESIII中漂移室電子學(xué)的結(jié)構(gòu),漂移室的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)主放及成型后，在FPGA內(nèi)部實(shí)時(shí)進(jìn)行電荷量的計(jì)算，所進(jìn)行的處理包括：實(shí)時(shí)求基線，基線比較確定信號(hào)，信號(hào)數(shù)值積分和自動(dòng)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(biāo),BESIII中飛行時(shí)間探測(cè)器電荷測(cè)量方法,飛行

17、時(shí)間探測(cè)器主要測(cè)試對(duì)象是時(shí)間信息，電荷測(cè)量電路用來(lái)測(cè)量信號(hào)的幅度，以修正時(shí)間游動(dòng)效應(yīng)。電荷測(cè)量方案是首先采用電荷－時(shí)間轉(zhuǎn)換，然后用HPTDC測(cè)量時(shí)間。,BESIII中飛行時(shí)間探測(cè)器電子學(xué)結(jié)構(gòu),2010/08/15,32,Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS,BESIII中飛行時(shí)間探測(cè)器電荷量的獲取,信號(hào)經(jīng)過(guò)差分到單端變換之后

18、，對(duì)電容C進(jìn)行充電，并且同時(shí)以恒流放電，A2放大器輸出信號(hào)與閾值進(jìn)行比較，最終形成的脈沖信號(hào)寬度與輸入信號(hào)所攜帶的電荷量成比例關(guān)系。,BESIII中飛行時(shí)間探測(cè)器電荷量的最終指標(biāo),性能動(dòng)態(tài)范圍30-927pC相當(dāng)于180mV~ >5V的PMT（R5942）信號(hào)有效位~10bit相當(dāng)于10mV (R5924),小結(jié),本報(bào)告非常粗略地回顧了一下電荷測(cè)量的基本方法，簡(jiǎn)單介紹了國(guó)內(nèi)某幾個(gè)大型高能物理實(shí)驗(yàn)中電荷測(cè)量的應(yīng)用。近幾十年

19、來(lái)，在電荷測(cè)量的基本理論上沒(méi)有很大變化，基本是通過(guò)采用新技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模、更高精度、更低功耗的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在沒(méi)有理論突破的前提下，這也將是近期發(fā)展的主線。,展望,對(duì)于未來(lái)的發(fā)展，本人認(rèn)為有兩個(gè)趨勢(shì)一、已經(jīng)確定的趨勢(shì)是，信號(hào)測(cè)量前端化，由于大量使用了ASIC技術(shù)，前端電子學(xué)可以極端地靠近探測(cè)器，從而使通道密度和信號(hào)測(cè)量的質(zhì)量及能力極大提高；二、也許會(huì)成為趨勢(shì)的趨勢(shì)是，模擬測(cè)量數(shù)字化，隨著采樣技術(shù)的不斷提高，可以預(yù)見(jiàn)，在解決了一系列技

20、術(shù)問(wèn)題后，從探測(cè)器輸出電流到轉(zhuǎn)化為數(shù)字波形的過(guò)程將被極大壓縮，“零噪聲”的純數(shù)字化信號(hào)獲取及處理系統(tǒng)也許會(huì)改變目前基于模擬電路進(jìn)行電荷測(cè)量的理論體系。,參考資料,清華版“核電子學(xué)講義”BESIII EMC電子學(xué)系統(tǒng)研制報(bào)告BESIII MDC電子學(xué)系統(tǒng)研制報(bào)告BESIII TOF電子學(xué)系統(tǒng)研制報(bào)告The non-gated charge-to-time converter for TOF detector in BES III，