CEPC高顆粒度數(shù)字強(qiáng)子量能器讀出電子學(xué)系統(tǒng)研究.pdf

1、2012年在LHC 125 GeV的質(zhì)心能量處發(fā)現(xiàn)了Higgs粒子，使得用輕子對(duì)撞機(jī)來研究和精確測(cè)量Higgs粒子的特性成為了粒子物理領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。2013年，在北京由中國(guó)物理學(xué)家主導(dǎo)成立了一個(gè)研究小組旨在研究環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)(CEPC)做為Higgs/Z工廠以及隨后升級(jí)成為超級(jí)質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞機(jī)(SPPC)的可行性。精確測(cè)量粒子能量要求量能器系統(tǒng)精確測(cè)量粒子對(duì)撞后沿各個(gè)方向形成噴注jet能量。大約72％的jet能量由電磁量能器(EC

2、AL)和強(qiáng)子量能器(HCAL)測(cè)量，由于傳統(tǒng)的HCAL能量分辨很差導(dǎo)致jet能量的測(cè)量精度受限。此外，由CEPC設(shè)計(jì)指標(biāo)提出的高對(duì)撞能量和亮度，將帶來了一系列的問題特別是高堆積事例給量能器帶來了重大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)量能器特別是HCAL的能量分辨率很差，且空間分辨不足在高事例堆積的背景下無法區(qū)分出相鄰的事例，使整個(gè)量能器系統(tǒng)的分辨率下降，無法勝任CEPC的要求。
　　近年來隨著粒子流算的提出，基于粒子流算法的高顆粒度量能器不斷發(fā)展。做為

3、最早開始研制高顆粒度量能器系統(tǒng)的學(xué)術(shù)組織，CALICE合作組已經(jīng)成功為國(guó)際直線對(duì)撞機(jī)（ILC）研制了包括電磁量能器(ECAL)的和強(qiáng)子量能器(HCAL)的幾臺(tái)原理樣機(jī)。其中，ECAL或者HCAL都具有模擬和數(shù)字兩種讀出方案。國(guó)內(nèi)為CEPC預(yù)研的高顆粒量能器研究才剛剛開始，本論文參考CALICE研制的兩款數(shù)字讀出強(qiáng)子量能器(DHCAL、SDHCAL)的經(jīng)驗(yàn)，以法國(guó)Omega小組設(shè)計(jì)的低功耗、高集成度、多閾值讀出的MICROROC為前端電子

4、學(xué)芯片，探索CEPC的基于GEM氣體探測(cè)器的高顆粒度數(shù)字強(qiáng)子量能器的讀出電子學(xué)系統(tǒng)。論文的組織按章節(jié)如下:
　　第一章分析了當(dāng)前粒子物理實(shí)驗(yàn)的發(fā)展趨勢(shì)，高對(duì)撞能量和高亮度的指標(biāo)要求對(duì)量能器提出抗輻射能力、高能量分辨的要求。指出傳統(tǒng)量能器不能滿足當(dāng)前粒子物理實(shí)驗(yàn)的要求，基于粒子流算法的高顆粒度量能器是未來量能器的發(fā)展方向。在CEPC提出之前ILC探測(cè)器在高顆粒度量能器方面積累了很多經(jīng)驗(yàn)，CEPC探測(cè)器可以借鑒ILC的經(jīng)驗(yàn)，尤其在高顆

5、粒度量能器方面，CALICE合作組為ILC研制了多套高顆粒度的ECAL和HCAL的原理樣機(jī)。
　　第二章闡述了量能器系統(tǒng)中強(qiáng)子量能器類型和作用，以及高顆粒度強(qiáng)子量能器與傳統(tǒng)量能器相比具有區(qū)分出帶電和中性的強(qiáng)子的優(yōu)勢(shì)。這樣按照粒子流算法，在jet能量重建的時(shí)，HCAL負(fù)責(zé)測(cè)量中性強(qiáng)子的能量。根據(jù)CALICE合作組的定義，高顆粒度HCAL的實(shí)現(xiàn)方案可分為模擬型(AHCAL)和數(shù)字型讀出。其中，AHCAL為取樣型量能器采用鋼板做為吸收體

6、、塑料閃爍體做為靈敏層、SiPM讀出，在第一代AHCAL中前端ASIC采用18通道的芯片ILC-SIPM，外置16-bit的ADC進(jìn)行量化，第二代AHCAL中采用36通道的芯片SPIROC內(nèi)部集成威爾金森ADC進(jìn)行量化。數(shù)字型強(qiáng)子量能器則根據(jù)判選觸發(fā)閾數(shù)量的不同，可分為單閾值讀出的DHCAL、和多閾值讀出也稱半數(shù)字化讀出的SDHCAL，這兩款HCAL都采用了鋼板做為吸收體、RPC氣體探測(cè)器做為靈敏層，通道數(shù)約為4×105個(gè)通道。其中DH

7、CAL前端ASIC采用64通道單閾值讀出的DCAL芯片而SDHCAL前端采用了64通道三閾值讀出的HARDROC芯片。該章節(jié)中詳細(xì)闡述了兩種原理樣機(jī)從前端電子學(xué)到后端整個(gè)數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。根據(jù)束流實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，在能量高于40 GeV時(shí)多閾值讀出比單閾值具有明顯更好的能量分辨。
　　第三章介紹了CEPC高顆粒度HCAL的預(yù)研方案。模擬型HCAL和數(shù)字型HCAL各自具有優(yōu)缺點(diǎn)，依據(jù)顆粒度（通道數(shù)）、成本、功耗和一次事例有擊中通道所占的

8、比例，CEPC-HCAL選擇數(shù)字型讀出更為實(shí)際，為了獲得較高的能量分辨，最終選擇半數(shù)字化方案。吸收體選用鋼板，因?yàn)殇摪鍍r(jià)格便宜且具有高機(jī)械強(qiáng)度足以建立自支撐結(jié)構(gòu)。靈敏層選擇氣體探測(cè)器，相比其他探測(cè)器，它的成本低廉和簡(jiǎn)單性使得它們對(duì)于覆蓋大面積探測(cè)器的構(gòu)建更具有吸引力，最終我們選擇GEM探測(cè)器作為靈敏層，并用1 cm×1 cm的pad陣列讀出。在前端ASIC選擇方面，我們選擇了具有三閾值判選讀出適合GEM讀出范圍的具有最低功耗MICROR

9、OC芯片。該芯片具有64通道，多片AISC可用菊花鏈?zhǔn)竭B接以減少連接線。數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面借鑒了SRS系統(tǒng)架構(gòu)，相比DHCAL和SDHCAL讀出系統(tǒng)更為簡(jiǎn)單、使用的板卡數(shù)量最少并且也可以做為ECAL的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，同時(shí)還討論了未來時(shí)鐘同步方案。最后分析了CEPC-HCAL的系統(tǒng)需求。
　　第四章介紹了基于MICROROC讀出電子學(xué)原型設(shè)計(jì)，在原型設(shè)計(jì)的第一階段，該階段主要由3塊主要的電子學(xué)板組成:陽極讀出板、MICROROC測(cè)試

10、板、DIF板。其中陽極讀出板探測(cè)的有效區(qū)域?yàn)?0 cm×30 cm共900個(gè)pad，扣在GEM氣體探測(cè)器上，信號(hào)從陽極板的另一面上的連接器輸出到MICROROC測(cè)試板上，MICROROC測(cè)試板包含4片ASIC以菊花鏈方式連接，數(shù)據(jù)采集、控制傳輸通過DIF板實(shí)現(xiàn)。
　　第五章介紹了原型讀出電子測(cè)試包括信號(hào)源測(cè)試和探測(cè)器聯(lián)調(diào)測(cè)試。該章節(jié)通過具體的實(shí)驗(yàn)，研究前端電子學(xué)與GEM探測(cè)器連接前后的性能。
　　第六章總結(jié)全文，并展望未來工