基于快速模拟取样的新型波形数字化方法和技术研究

一直以来，获取粒子探测器脉冲信号的波形信息都是国内外实验物理学家的追求目标，这是因为探测器输出脉冲信号的波形携带有粒子最全面、详细的物理信息。从信号波形中可以很方便地获取粒子的电荷和时间信息，并且人们可以对数字化的波形信息做进一步的数字信号处理，获取更多的物理信息。此外，该方法消除了传统电荷积分放大带来的"堆积"效应，可应用在各类核物理、粒子物理实验中。目前的波形数字化技术基本还是基于FADC来实现，在功耗、成本、密度和电路复杂性等诸方面都成为广泛应用的障碍，粒子物理实验的波形数字化还不成为主流的技术方法。本研究项目是以高速模拟信号采样、存储，而后用相对慢速的ADC进行数字化的思路为基本出发点（即所谓的SCA+ADC方法），探索新的波形数字化技术路线，将从实现高密度、高采样率的读出电子学系统和超高速采样读出电子学系统两个方面展开。

项目研究是根据核与粒子物理实验长期以来对获取实验中粒子探测器脉冲信号的波形信息的需求展开。由于粒子探测器输出脉冲信号的波形携带有粒子最全面、详细的物理信息。从信号波形中可以很方便地获取粒子的电荷和时间信息，并且可以根据需要做进一步的数字信号处理，获取更多、更精准的物理信息。但由于目前的波形数字化技术基本还是基于高速A/D变换技术来实现，在功耗、成本、密度和电路复杂性等诸方面都成为广泛应用的障碍。..本研究项目另辟蹊径，对粒子探测器输出脉冲进行高速模拟信号的采样、存储，而后用相对慢速的ADC电路进行数字化，探索新的、所谓的SCA+ADC方法的波形数字化技术路线。..研究工作是基于瑞士PSI研究所发展的高性能SCA芯片：DRS4，研制了高密度、高采样率（5 Gs/s）的读出电子学系统和超高速采样（~10Gs/s）读出电子学系统两套波形数字化系统；针对DRS4芯片各采样单元的不一致性，进行了信号波形重建算法的探索和优化，重点发展了采样时钟周期非一致性的时钟修正算法和针对各开关电容单元基线存在着非一致性的基线修正算法；评估了基于DRS4的波形采样系统的定时精度，通过算法修正，系统在4.7 GS/s时，实现了< 10ps RMS的波形定时精度；研究了通过PCB连线延时实现DRS4模拟通道采样内插的实现方法，包括PCB连线信号延迟时间控制，内插延时估计，采样波形重建等。并通过2通道的采样内插，实现了等效~10 GS/s的采样率；探讨了基于DRS4的波形数字化系统在粒子物理实验中进行电荷和时间精确测量的实现方法，以及可能的应用。