基于APV25芯片的GEM探测器读出电子学系统的测试与改进

胡守扬，蹇司玉，周 静，单 超，李兴隆，李 霞，周 意，李笑梅,*

(1.中国原子能科学研究院 核数据重点实验室，北京 102413；

2.中国科学技术大学 核探测与核电子学国家重点实验室，安徽 合肥 230026)

气体电子倍增器(GEM)[1]是近几年由欧洲核子研究中心(CERN)发展起来的一种新型的高性能气体探测器，具有优异的位置分辨(百微米量级)和良好的耐辐照、耐磁场性能等。目前GEM已成为新一代微结构气体探测器的主要发展方向，近年来在国际上得到迅速发展。在高能物理与核物理领域GEM有多方面的应用前景，如位置灵敏射线探测器、中子照相、医学生物学成像以及天体物理实验探测器等。中国在建的大科学装置和参与的几个大的国际实验合作探测器升级均将用到GEM探测器。

GEM探测器读出电子学系统是GEM探测器十分重要的部分。电子学系统包括数据采集、整形、滤波、放大、模拟数字变换(ADC)[2]、数据处理等部分。在大型的探测器实验中，庞大的电子学系统易造成系统不稳定。然而，面积越大、分辨率越高的探测，越需要多的电子学通道。如何制造出低成本、高性能、体积小、干扰小、防辐射的优秀电子学读出系统，具有非常重要的意义。读出电子学芯片APV25[3]具有集成度高、体积小、通道多等优点。每块芯片可并行处理128路探测器原始数据。芯片采用模拟读出系统，相对于数字系统较为复杂。采用模拟读出需采用模拟管道进行事件的缓冲而不是采用简单的数字寄存器。同时，模拟读出方式也对探测器的数据传输媒介提出了更高的要求，因为模拟信号远比数字信号更易受到衰减和噪声的影响。然而，采用模拟读出系统能获得更好的物理性能。本文采用读出电子学芯片APV25进行读出系统调试，以获得系统在40 MHz和20 MHz工作频率下的理想数据。并对软件配置进行优化，对硬件进行改进，以降低噪声水平，提高信噪比。

1 APV25芯片

APV25采用0.25 μm硅CMOS技术[4]，实现了多通道高精度探测器数据读出。该芯片包含128路前置放大和整形，每组128路探测器通道的原始数据由APV25芯片并行地进行采样，并在芯片中对信号进行放大，对信号脉冲进行整形，之后将数据存放到模拟通道中。在收到触发控制系统的触发信号时，对模拟通道中对应的信息进行进一步处理后，采用标准帧格式进行多路复用输出。

APV25芯片采用深亚微米CMOS工艺，因为其固有的优势，是第1个应用在高能物理领域的核心集成电路。APV25除包含模拟电路外还包含数字电路，每个在CMOS设备中的逻辑门[2]包含1对N型和P型晶体管，在任何时刻，只有其中1个是导通的，仅在逻辑门处于数字逻辑状态时才有电流消耗。这种设计有助于减少芯片的总功耗。

同时，小的特征尺寸使APV25电路适合在仅7.1 mm×8.2 mm的死区中，导致了高固有辐射公差。由于CMOS电子学的辐照损伤主要是由电离离子穿过栅极氧化物晶体管所产生的电子空穴对产生，当电子迅速被内部电场卷积时，空穴在氧化物中有很低的流动性，一定比例的空穴被困在氧化物硅界面上，改变了晶体管的性能。而0.25 μm CMOS门氧化物很薄，使捕获的正电荷可通过电子隧道效应[5-6]中和，有助于保证APV25在超常辐射水平环境下仍能正常工作。

2 电子学系统及测试

2.1 系统结构

图1 电子学系统

图1所示为电子学系统的结构图。当1个粒子穿过探测器时，探测器上施加的高压产生一个电压波动，产生的这个波动信号经滤波器、甄别器与逻辑单元的处理转换成合适的信号作为触发信号输送到多用途数字转换器(MPD)[7]与VME[8]控制器。当MPD收到触发信号时，向APV25发出触发信号，相应的管道被标记以防止被重写，直到它们被读出。APV25芯片不断地对探测器信号进行取样，保证在模拟管道中的数据是最新的。数据经过模拟脉冲整形处理器(APSP)，在APSP中根据不同的工作模式对信号进行处理。信号经过模拟多路复用器转换为电流信号。随后加上起始位、地址位、错误标记位信息，并转换为差分信号，经APV25 I/O口输出。APV25输出的数据随后进入MPD，在其中完成对信号的解码、数字模拟转换、数据处理。之后，经处理的数据通过VME总线传输到VME控制器，经光纤最终传输到计算机，进行数据的进一步处理，完成1次数据的采样。

在数据获取系统运行过程中，通过计算机完成对整个系统的配置、控制与监视。在计算机中设置好的配置信息经光纤传输到VME控制器中，随后，VME控制器通过VME总线将配置信息传输到MPD中。MPD根据相应的配置信息设定系统的不同工作状态，并通过HDMI-A线缆控制APV25芯片。HDMI-A线缆不但是MPD到APV25控制信号的桥梁，也是时钟信号(差分)、触发信号(差分)的传输通道。APV25采集得到的模拟信号经HDMI-B线缆传输到MPD。

MPD符合VME64X标准，采用了12位ADC[9]，采样速率可达5×107s-1。每个MPD最多可容纳16块APV25前端卡。在电子学读出系统测试中，GEM探测器未加高压，粒子穿过探测器并未产生信号。所以，采用信号发生器产生的脉冲作为触发信号，系统采集的是电子学噪声而不是实际粒子信号。APV25数据经MPD转换，通过光纤传入计算机。

2.2 采集系统

数据采集与分析软件均基于Linux系统。不同的系统和线路有不同的时钟及延时。因此，每个系统需进行延时和时钟的校正。APV25采集得到的模拟信号经模拟复用，传输到MPD，为得到正确的数据，MPD也需按照相同的频率进行数据的解析。如果APV25传输的信号与MPD的解析时间不匹配，就会造成信号的丢失，无法采集到正确的数据。同时，由于粒子信号上升沿具有重要的意义，所以，需调整触发信号与粒子到达之间的配合时间，使系统恰好采集到该粒子产生信号的上升沿。因此，也要适当改变信号采集的时间点，使信号采集点能恰好采集到实验所需数据。

为实现MPD采样点与APV25数据帧同步，使APV25产生周期的脉冲用于同步，需将MPD采样的时间点调整到同步脉冲的最高点。图2所示为系统运行在调试模式下所得到的采样数据。系统不断地采集每个通道的数据，在对APV25模拟信号数字化的过程中，对同步脉冲的采样便形成图2中的右侧峰，对电子学基线的采样便形成图2中的左侧峰。因此，需调节参量使右侧峰出现的位置在横轴上越大越好。由于左侧峰反应的是采集的电子学基线的大小，为获得更好分辨，左侧峰的位置较小为宜，因此，在调节参量时同时需保证图2中的左侧峰在横轴上的位置较小。在实际的实验中，通常左侧峰的横坐标位置在700(即ADC采样得到的值)以下，右侧峰的横坐标位置在2 500～3 000之间。当然，不同的实验条件可能有不同的结果。

图2 APV25同步校准模式下采样计数

2.3 系统改进

通常，1个探测器需使用多个APV25前端卡，为使用方便，在MPD与APV25前端卡之间采用专门设计的集线器基板。基板与APV25前端卡采用MOLEX连接器连接。为适应探测器的需要，每个基板设计可容纳5个APV25前端卡。基板与MPD之间采用HDMI数据线进行控制和数据传输，并通过基板为所有的APV25前端卡供电。由于上传的数据信号为模拟信号，易受干扰，所以线材的接触良好程度与线材的导电率对信号至关重要。在测试中，为适应不同类型的探测器，设计了不同的APV25前端卡到探测器读出条的连接器，使探测器集成度更高，更有利于将来大规模的应用。

由于各参量在不同的系统中不同，为能更方便地寻找最合适的工作条件，设计了自动寻找工作参数的程序，程序能自动按照当前的系统寻找到合适的工作条件。

2.4 测试结果

通过测试整套电子学系统，在本底状态下，得到了不包含和包含模拟信号的数据。在数据采集中，每个事件中连续采样6次，每次采样时间间隔为25 ns，输出ADC值。图3a示出了采集的电子学噪声ADC值，本底状态下电子学基线的ADC值均匀且随机分布。图3b示出了在加入模拟信号脉冲情况下的ADC值，由于信号脉冲较宽，有4个采样区间获得了信号脉冲，且经过调节延时，出现了脉冲信号的上升沿和峰值，所得数据信噪比高，模拟信号脉冲易被挑选。

图3 电子学基线ADC值(a)与含模拟信号脉冲ADC值(b)

3 结论

读出电子学芯片APV25具有很高的集成度，经测试，它可工作在40 MHz的工作频率下，并具有非常快的时间响应。单个APV25模拟数据通道高达128路，对于有效面积为10 cm×10 cm的GEM探测器进行成像探测[10]，只需x、y方向各两片APV25前端卡即可获得好的分辨，极大精简了电子学线路。且APV25具有良好的抗辐射性能，能工作在高剂量辐射环境中，为未来大面积探测器的电子学读出提供了保证。由于APV25是目前最先进的用于数据采集的ASIC芯片之一，集成度高、体积小，可精简线路，在以后的电子学采集系统设计中可做成便携式可移动的采集系统。同时，本测试对APV25前端卡的集线器基板进行了改进，并对共地线路进行了优化。本次对APV25电子学系统的测试与改进，为以后电子学设计和搭建提供了更多参考。

参考文献：

[1] SAULI F. GEM: A new concept for electron amplification in gas detectors[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 1997, 386: 531-534.

[2] 阎石. 数字电子技术基础[M]. 5版. 北京: 高等教育出版社，2006.

[3] LAWRENCE J. APV25-S1 user guide[M/OL]. [2001-09-05]. http:∥indico.cern.ch/event/283113/session/2/contribution/25/material/3/0.pdf.

[4] FRENCH M J, JONES L L, MORRISSEY Q, et al. Design and results from the APV25: A deep sub-micron CMOS front-end chip for the CMS tracker[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 2001, 466: 359-365.

[5] 周世勋. 量子力学简明教程[M]. 北京:人民教育出版社，1979：44-50.

[6] 曾谨言. 量子力学(卷Ⅰ)[M]. 3版. 北京：科学出版社，2000：98-103.

[7] PAOLO M. MPD specifications[M]. [S. l.]: [s. n.], 2012.

[8] American National Standards Institute. IEEE Std 1014-1987[S]. New York: Institute of Electrical and Electronics Engineers, 1987.

[9] Texas Instruments. ADS5281[M/OL]. [S. l.]: [s. n.]. http:∥www.ti.com.cn/product/cn/ads5281.

[10] LU Xinyu, FAN Ruirui, CHEN Yuanbo, et al. Study of measuring methods on spatial resolution of a GEM imaging detector[J]. Chinese Physics C, 2012, 36(3): 228-234.