基于高速波形数字化技术的新型SiMP探测器前端读出电路研制

Silicon photomultiplier (SiPM) is a novel detector characterized by high gain, high sensitivity, excellent time resolution. A study of a novel front-end readout system of SiPM based on high speed waveform digitization method will be implemented in this project. Waveform digitalization is always a goal sought by experimental physicists, as the waveform of signal from detector carries the most complete and detailed information on particles. The waveform digitization system based on a traditional flash analog to digital converter (FADC) has features of huge power consumption, complex structure, low channel densities, high cost of application, which affects the feasibility of this technology. Due to the development of component technology, an alternative approach is to utilize switched capacitor array (SCA) for waveform digitalization, a high speed analog sampler + a slow high precision ADC. The detector signals are sampled and stored in a series of capacitors at high sample rates, and digitized with a commercial ADC operating at a lower convert rate, meanwhile, as its ability to realize high speed and high accuracy waveform digitalization, this technique is very promising. A novel switched capacitor array chip of DRS4 is adopted as a core in this project, the methods for implementing 14bit and 10 GSPS high sample speed waveform digitalization and system error correction will be studied. Furthermore, this project also studies cascade method for channels of DRS4, readout method of region-of- interest, interleaved sampling method between channels of DRS4 and high speed data transfer technology. The high-performance FPGA is used for high speed data caching and real-time processing, and algorithms for event filtering, extraction of charge information and timing information from the sampled waveform will be implemented in the FPGA, which will meet the experiment requirements of multiple parameter, high resolution, high density and low power dissipation.

硅光电倍增管(SiPM)是一种具有高增益、高灵敏度、高时间分辨的新型探测器。本课题提出了一种基于高速波形数字化技术的新型SiPM探测器前端读出电子学设计方案。探测器输出信号的波形携带粒子最全面、详细的物理信息，基于传统FADC波形采样不仅功耗大、复杂度高，而且成本高、集成度低，成为使用该技术的最大障碍。新型的基于开关电容阵列的波形数字化技术采用高速模拟采样+慢速高精度ADC的技术路线可以解决以上问题，并可同时实现高速、高精度的波形数字化，应用前景诱人。本课题拟采用新型的开关电容阵列芯片DRS4为核心，探索14位10GSPS高速采样波形数字化电路的实现方法，系统修正技术,同时课题将深入研究DRS4的通道级联、区域读出技术，通道间内插技术以及高速数据传输技术。并利用FPGA进行高速数据缓存和实时处理，在FPAG内实现事例筛选，电荷、时间提取等算法，以满足多参数、高分辨、高集成度、低功耗的需求。

硅光电倍增管(Silicon Photomultiplier，SiPM)是近年来迅速发展起来的一种新型探测器，它的优异性能使得它成为光电倍增管的一种替代选择。近年来，SiPM探测器广泛应用于核与粒子物理实验、核天体物理、核医学等研究领域。但如要更好地利用SiPM的优势，最大程度地提高探测精度和灵敏度、拓展应用范围，必须发展新的读出电子学系统，才能发挥 SiPM的优势。波形采样技术在前端电子学中具有非常诱人的应用前景，探测器输出脉冲信号波形蕴含着所探测粒子的最全面、详细的物理信息准确信息。信号的波形面积代表着粒子在探测器中沉积的能量，精确测量波形面积可以获取粒子的能量信息，信号波形的前沿则携带着粒子击中探测器的时间信息，获取波形的前沿形状，可以很方便地外推出出粒子击中探测器的精确时刻，很方便同时获取时间与能量信息。此外，波形数字化还可以使物理学家采用任何可能的数字处理方法来处理波形数字化的信号数据。波形采样技术的使用大大减少了硬件电路的数量。本项目通过研制实现一套可应用于粒子物理实验中SiPM读出的基于高速波形数字化技术的读出电子学完整小系统，完成了研究计划中的以下研究内容：1）研制了一套基于基于高速波形数字化技术的读出电子学小系统，包括1块DRS4波形数字化电路模块、1个快放大器模块及读出控制上位机软件组成。2）基于硬件系统实现了在FPAG内及离线状态的事例筛选，电荷、时间提取等算法。3）实现10GSPS高速采样波形数字化方法，系统修正，同时实现了DRS4的通道级联、区域读出技术，通道间内插技术以及高速数据传输与存储技术。4）将本项目与近物所研制的正电子发射断层扫描（positron emission tomography，PET）样机实验相结合，并进行了电子学与探测器联调验证。该系统信号输入动态范围约2Vpp，随机噪声水平好于0.5mV，采样率700MSPS~5GSPS，通过内插方法实现10GSPS，信号输入带宽>800MHz，本证时间分辨约12ps，并能够实现电路板间级联。同时该系统也应用在了次级束粒子鉴别实验中，可以对不同的粒子进行鉴别。在本项目的研究资助下，已发表期刊议论文7篇，发明专利1项。培养博士学位获得者1名，学士学位获得者2名，国内外会议交流报告5次。