位置灵敏探测器信号读出电子学的关键技术研究

Nowadays, more and more position-sensitive detectors with very high channel counts are employed in modern nuclear and particle research and application instruments. The traditional readout techniques of detectors have already become the bottleneck technique limiting the development and application of these detectors. This project refines the key techniques of the signal readout electronics for position-sensitive detectors as “a high integration, high performance, and large channel count energy information readout and timing information readout techniques”. Based on the solid research background of the new time-over-dynamic-threshold (TODT) nuclear signal digitization method and the time-to-digital convertor (TDC) design technique on FPGA, the project proposes to combine the energy readout and the time readout together as a subject of “the time-readout driven nuclear electronics”, which will be thoroughly investigated to satisfy the requirements of high integration and high measurement performance for high channel count detectors. Besides the research activities of the project are significant to the subject development of nuclear electronics, the designed TODT-ASIC and FPGA-TDC in the project will combine with a scintillation detector forming a novel PET detector module to evaluate the investigated new skills and demonstrate the promotion of detector performance by the advanced electronics as well. The prototype of the PET scanner built with these new detector modules will be very helpful for the PET imaging domain.

核与粒子物理的实验装置和技术应用越来越多地使用大通道数的位置灵敏探测器。信号读出电子学已经成为位置灵敏探测器发展和应用的技术瓶颈。本项目将位置灵敏探测器信号读出电子学的关键技术提炼为“高集成度和高性能的大通道数能量信息读出和时间信息读出技术”，以自行提出的、已具有良好研究基础的线性TOT能量信号数字化新方法，和基于FPGA的高性能TDC设计技术为基础，深入开展“时间读出驱动的信号读出核电子学”技术及方法研究。本课题将能量信息读出和时间信息读出有机结合，在高集成度和高性能两方面满足大通道数探测器的应用需求。在促进核电子学学科发展的同时，项目所研制的TODT-ASIC芯片和FPGA-TDC芯片还要和位置灵敏闪烁探测器结合，研制出一种新型PET探测器模块和PET成像原理样机：一方面直接验证所研究的新技术，另一方面展现先进的读出电子学对探测器性能的显著提升，进而促进PET成像技术的发展。

基于下一代高能高亮度加速器的粒子物理实验将会越来越多地使用大通道数的位置灵敏探测器，要求读出电子学在实现高性能能量读出和时间读出的同时还能够实现高集成度。本课题提出开展将能量信息转化为时间量，利用时间测量技术的高集成度优势，实现能量和时间同时读出的理论方法和技术研究。项目开展的研究内容包括：基于FPGA的TDC设计技术研究；能量与时间同时读出方法及其ASIC实现技术研究；SAR-ADC的ASIC设计技术研究；基于FPGA的TOF-PET探测器读出电路研究；皮秒级前沿定时技术研究；大尺度皮秒级时钟分发和同步技术研究; 以及高性能PET探测器及小动物TOF-PET原型样机的设计研究。本课题在圆满完成原计划内容以外，还在多个相关方向拓展了研究，取得了多项重要研究成果：将国际上基于FPGA的TDC设计水平提高到了一个新高度，连同皮秒级的定时技术以及时钟分发和同步技术，为超高精度的时间测量系统提供全套技术方案；所研发的基于FPGA的高集成度PET探测器读出电路对实验室仪器化以及探测器快速原型测试具有重要应用价值；所研制的64通道读出ASIC芯片的性能和国际前沿读出芯片相当，基于该芯片研发的TOF-PET探测器及小动物TOF-PET原型样机接近国际先进水平，对推动我国PET成像技术的发展有重要作用。本课题研究内容已在本领域顶级期刊发表论文16篇，在国际会议上发表论文17篇，取得7项国家发明专利和1项欧洲发明专利授权，培养多名博士生，并促成两项应用课题的开展。