高能物理中的电子学

高能物理中的电子学与BESIII

中科院高能物理研究所

王铮

高能物理中的电子学与BESIII

•国外发展动态

–CDF SVX电子学

–CMS 硅微条探测器电子学

•我们目前的研究项目

–大亚湾中微子实验读出电子学

–BESIII读出电子学

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高能物理中的电子学发展动态•粒子物理与核物理、天体物理实验的高性能要求使得探测器的规模越来越大，探测器种类、探测单元的数量越来越多，从而对获取实验中探测器数据与信息的电子学系统的需求越来越高，传统的模拟电路技术、数字电路技术已不再适应日益高速发展的需求

•高分辨、高精度、高速度、多通道专用集成电路（ASIC）已经成为影响实验系统品质的关键技术，其研究也已成为该领域研究的核心内容之一。

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9mm x 6mm

128 channel pipelined

53MHz 8 bit Flash ADC

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国内现状

•在以中科院计算所、清华大学信息科学技术学院、北京大学微电子学研究所等为代表的专用集成电路研究单位在专用集成研究方面已经取得了一定的成果，带动了国内集成电路研究的发展。

•国内的研究还是偏重于纯数字高性能芯片方面，而对于比较特殊的集成电路需求，比如在天体物理、核物理及同步辐射应用等特定环境下所需的低噪声前端放大电路、多通道模数转换、高性能的时间-数字转换器等方面的研究还比较欠缺，甚至空缺。

•我们正在着手开展这方面的研究

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大亚湾中微子实验读出电子学

•Design requirements

–Charge

–Time

•Our Scheme

•Current status

•Very preliminary specifications

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Readout module (ver.2)

•Finished PCB design on Dec,2004

•FPGA design and debugging is in process

•Very preliminary testing result has been achieved

•Charge&time readout •Charge (0 ~ 100 p.e.)•16 channels/module •9U VME standard •

Xilinx Virtex II fpga

for data processing

BESIII 电子学

组成：4个子系统

MDC 电子学

EMC 电子学

TOF 电子学（科大合作）

MUON 电子学（科大合作）

共～30000个读出通道。

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1.主漂移室电子学

•测量漂移时间：

–时间分辨：σt ≤0.5 ns

–量程：0 ～400 ns

–积分非线性：INL ≤0.5％

•测量电荷量：

–单通道电荷分辨< 5 f.C.

–动态范围：15 ～1800 f.C.

–积分非线性：INL ≤2 %

•测量通道数：6796

•给触发判选系统提供各个漂移单元信号丝的命中信息•接受触发判选系统的判选结果，若判选有效，则将所得数据保存和读出，否则则将所得数据适时予以丢弃。

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Main

Amp Shaper FADC Raw

FIFO Int

QSB

Readout

FIFO

Discriminator

HPTDC

Q FIFO

Pre T FIFO T FIFO

QT

FIFO 32

QT

FIFO 64

V

M

E

Vt (X32)

(X4)

QSB

QSB

FPGA

MAIN

FPGA

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Fig.3 MQT module prototype

Fig.2 preamp card prototype •9u VME64x 标准

•32个时间测量通道，32个电荷测量通道

整个系统

•850个前放板

•16个9U-VME64x 机箱

进度：

2005年4月，完成192通道宇宙线实验用读出系统

2005年9月，512通道样机，系统定型，开始批量生产

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2. EMC 读出电子学系统

≤20% nonuniformity

Gain adjustable on line

Analogue “sum ”of 8 chs Information to trigger 15 Bit

Dynamic range 0.1%Cross talk 1% (before correction)Integral nonlinearity 6272

Number of channel 0.16fc (200KeV)

Equivalent Noise Charge (Energy)0.5fc~1500fc Range of charge measurement ≤1KHz Single channel event rate 6.4µs L1 trigger latency 20MHz System clock