一种应用于TPC探测器的小型化、模块化前端读出电路及算法的研究

Time projection chamber as a kind of high precision charged particle track detector, is widely used in many large-scale particle physics experiments. In order to satisfy the requirements of TPC on front-end circuits, a kind of multiple channel chip named AGET which based on the switched capacitor array technology is developed by Saclay Lab in France. The chip is designed and placed in the front-end readout circuit named AsAd which constructs the GET electronics readout system with data acquisition circuit named CoBo, the uTCA chassis, etc. Although the readout system of GET is fully functional and can meet the requirements for TPC, it also has the disadvantages of too complicated, needing more circuit module, high price, inconvenient after-sales service and these will affect its application in particle physics experiment for domestic users. In this subject, the research on a 256 channel compact readout circuit module which is based on the AGET chip as well as algorithm will be carried out. It focuses on the key technologies of the applications of the AGET chip and the methods such as multi-channel data storage and readout. The module will be designed as a single board circuit by combining with functions of CoBo and AsAd and transmits processed data directly to terminal user with a high-speed 100M Ethernet interface. It greatly simplifies the readout system structure and has the characteristics of low cost, easy to use, flexible and efficient.

时间投影室（TPC）作为一种高精度的带电粒子径迹探测器，具有很强的粒子鉴别能力, 在众多大型粒子实验中得到广泛应用。为更好的满足TPC对读出电子学的实际需求，法国Saclay实验室开发了一款基于开关电容阵列技术的多通道前端读出芯片AGET。该芯片被设计在其前端读出电路AsAd中，联合CoBo，uTCA机箱等构建GET读出系统。虽然GET功能完备，可满足大型TPC的读出需求，但对国内用户，却存在读出系统庞大复杂、组成硬件较多、售价高昂、售后服务不便等缺陷，影响其在实验中的应用。本项目拟基于AGET芯片开展256通道小型前端读出电路、数据处理及相关算法的研究，重点探索该芯片应用的关键技术以及多通道高速数据存储与读出技术。该电路融合Cobo和Asad的功能，采用单模块读出方案，从TPC采集信号并处理后，通过百兆以太网接口发送数据，大大简化了读出系统的结构，具有成本低廉、简单易用和灵活高效等特点。

时间投影室（TPC）作为一种高精度的带电粒子径迹探测器，具有很强的粒子鉴别能力,在众多粒子实验中得到广泛应用。本项目为了应对小型TPC对读出电子学的实际需求，开展了基于多通道前端读出AGET芯片的256通道小型前端读出电路的研究，该电路融合Cobo和Asad的功能，重点探索了AGET芯片应用的关键技术、基于AGET芯片的高速硬件电路设计技术以及多通道高速数据存储与读出技术。在大量调研的基础上，对该芯片的资源需求、配置方法、读出控制等特点有了清晰的理解，并以此为基础，进行了基于AGET芯片的高速硬件电路设计。在设计过程中，开展了多通道高速数据存储于读出技术的研究，根据实际应用需求，完善了电路的设计。.本项目借鉴GET系统的技术路线，根据调研结果，采取多片AGET+高速多通道ADC+FPGA+DDR的技术路线，其中多通道ADC选定8通道的AD9252，该款ADC具有高采样率、高精度的特点，采样速率达到50Mbps，精度达到14bit，其串行输出速率可达700Mbps，满足AGET的输出采样及精度要求。FPGA采用赛灵思公司的XC7K325T型FPGA，该款FPGA资源充足，单片即可满足AGET控制、ADC控制、AGET数据读出、数据在线处理等功能，在输出处理过程中，针对数据量大、数据速率快的特点，设计了DDR进行缓存，最终使用光纤将数据上传。.本项目着眼于国内小型 TPC 读出电子学的读出电子学需求，应用国际上先进的 AGET芯片，开展了小型TPC读出电子学的开发研制，和基于u/ATCA机箱构成的大型GET获取系统相比，该方案具有结构简单、 成本低廉、可剪裁性强等优点，有效降低了构建 TPC探测器读出系统的复杂性。本项目的实施，不仅探索、运用和掌握了新的技术与方法，更加速了TPC 探测器读出系统关键电路国产化，为实验应用、后期维护和升级改造提供方便。