呂新宇 祁輝榮 章紅宇 趙豫斌 陳元柏 歐陽(yáng)群趙平平 趙東旭 董麗媛,3 盛華義

1 (核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所 北京 100049)

2 (中國(guó)科學(xué)院研究生院 北京 100049)

3 (蘭州大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 蘭州 730000)

GEM(gas electron multiplier)[1]是CERN開(kāi)發(fā)的新型微結(jié)構(gòu)氣體探測(cè)器，空間分辨率好、耐輻照、讀出部分安排靈活、有效面積大，除用于粒子物理實(shí)驗(yàn)[2]，如國(guó)際直線(xiàn)對(duì)撞機(jī)(ILC)探測(cè)器上徑跡室和數(shù)字強(qiáng)子量能器的讀出探測(cè)器，還可作為同步輻射X射線(xiàn)探測(cè)器[3]、散裂中子源位置靈敏探測(cè)器、醫(yī)學(xué)生物學(xué)成像[4]及天體物理實(shí)驗(yàn)探測(cè)器[5]等。

針對(duì)北京同步輻射裝置(BSRF)對(duì)二維探測(cè)器的實(shí)際需求，我們研發(fā)了能滿(mǎn)足BSRF衍射和散射實(shí)驗(yàn)要求的基于GEM的二維X射線(xiàn)探測(cè)器。其采用三層GEM膜結(jié)構(gòu)，從第三層GEM下表面取出信號(hào)作觸發(fā)，讀出部分采用PCB工藝的二維條讀出，共有704個(gè)讀出條，每條獨(dú)立讀出[6]。

探測(cè)器讀出條的感應(yīng)信號(hào)經(jīng)電荷靈敏放大器放大后進(jìn)入GQ插件里，經(jīng)緩沖放大、CR-(RC)3濾波成形，由FADC在高速時(shí)鐘(40 MHz)下對(duì)信號(hào)波形進(jìn)行取樣，數(shù)據(jù)暫存于數(shù)字流水線(xiàn)等待觸發(fā)信號(hào)，一旦觸發(fā)有效，F(xiàn)PGA在開(kāi)辟的窗口內(nèi)(門(mén)寬在程序界面可調(diào)，目前為64個(gè)時(shí)鐘，即1.6 μs)從流水線(xiàn)中逐一取出數(shù)據(jù)進(jìn)行尋峰(尋找最大值)，尋到的峰值與讀出條感應(yīng)電荷量成正比，從而得到感應(yīng)電荷值，再作數(shù)據(jù)零壓縮，進(jìn)行數(shù)據(jù)打包、緩存、等待讀出；待DAQ響應(yīng)中斷信號(hào)，通過(guò)VME總線(xiàn)用CBLT方式將數(shù)據(jù)讀出，最后由網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)獲取計(jì)算機(jī)(圖1)。

圖1 GEM探測(cè)器讀出電子學(xué)工作框圖Fig.1 The schematic view of readout electronics.

鑒于同步輻射實(shí)驗(yàn)的需要，探測(cè)器在高計(jì)數(shù)率下工作，會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，這就要求讀出電路有快速的信號(hào)處理能力，且進(jìn)一步提高DAQ系統(tǒng)的帶寬利用率。

1 基線(xiàn)值獲取方法

GEM 探測(cè)器每個(gè)電子學(xué)通道的基線(xiàn)值并不相同，且每道基線(xiàn)值均有漲落；實(shí)際測(cè)量中，基線(xiàn)測(cè)量值總伴隨噪聲，且每個(gè)通道的噪聲水平亦不同。受噪聲等各種因素的影響，實(shí)際基線(xiàn)值圍繞期望值上下起伏，服從正態(tài)分布。將真實(shí)基線(xiàn)值表示為μ，服從正態(tài)分布N(μ, σ)，閾值設(shè)定為：

根據(jù)正態(tài)分布，這樣因噪聲引起的誤記錄可消除99.865%，又能使幾乎所有信號(hào)被記錄。實(shí)際根據(jù)不同的測(cè)量架構(gòu)，測(cè)得的基線(xiàn)并非真實(shí)的基線(xiàn)值μ，實(shí)測(cè)基線(xiàn)設(shè)為μ'，一般μ≠μ'，故：

n根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量而定。實(shí)驗(yàn)中我們分析了三種方法獲取每個(gè)通道的基線(xiàn)值。

1.1 電荷分辨刻度模式獲取基線(xiàn)

在電子學(xué)的電荷分辨率測(cè)量(Q_Res)模式下，由程序控制產(chǎn)生一確定的電荷量送到電荷靈敏前置放大器端，經(jīng)放大器放大，進(jìn)入GQ插件，再放大、濾波成形、ADC等一系列過(guò)程再讀回這個(gè)信號(hào)，以刻度電子學(xué)系統(tǒng)。在這個(gè)模式下，若程序中設(shè)定送出信號(hào)幅度為 0，此時(shí)取得的值即為“基線(xiàn)值”，表示為hQ-Res(圖2中黑色實(shí)線(xiàn))。

圖2 三種方法測(cè)量基線(xiàn)值結(jié)果Fig.2 Test result of 3 methods.

1.2 積分非線(xiàn)性測(cè)量模式下，擬合數(shù)據(jù)點(diǎn)測(cè)基線(xiàn)

在電子學(xué)積分非線(xiàn)性測(cè)量模式(Q_INL)下，由程序產(chǎn)生一系列不同幅度的信號(hào)送至電荷靈敏前置放大器端，再由取數(shù)系統(tǒng)讀回，過(guò)程同§1.1，通過(guò)計(jì)算多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)信息，得到電子學(xué)系統(tǒng)的積分非線(xiàn)性。在此模式下，測(cè)得多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，直線(xiàn)擬合后所得截距值即系統(tǒng)的“基線(xiàn)值”，表示為hQ-INL(圖2中虛線(xiàn))。

1.3 在線(xiàn)取數(shù)模式，由噪聲信號(hào)觸發(fā)獲取基線(xiàn)

探測(cè)器加電，但高壓設(shè)置為0 V，此時(shí)探測(cè)器不工作，由于已經(jīng)通電，噪聲情況與工作時(shí)情況相同。此時(shí)將探測(cè)器設(shè)置在線(xiàn)取數(shù)模式，用噪聲觸發(fā)，取得每道電荷值。由于探測(cè)器無(wú)高壓，故無(wú)增益，此時(shí)取得的數(shù)據(jù)是探測(cè)器系統(tǒng)的背景值。大統(tǒng)計(jì)量取數(shù)(N=10,000)，得到每道背景值的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。由于電子學(xué)采用尋峰方式取數(shù)，時(shí)間窗口為 64個(gè)時(shí)鐘，在取得的64個(gè)值中尋到最大值并記錄下來(lái)。假設(shè)噪聲服從正態(tài)分布，則問(wèn)題簡(jiǎn)化為：一個(gè)正態(tài)分布總體，從中取樣64次，取64個(gè)值的最大值，如此操作10,000次得到：Max1=MAX(a1, a2, a3…a64)，Max2=MAX(b1, b2, b3… b64)，Max3=MAX(c1, c2, c3… c64) …Max10000=MAX(n1, n2, n3… n64)，這些Maxi(i=1,2,3, …10,000)的分布可經(jīng)計(jì)算得到：對(duì)于一個(gè)正態(tài)分布N(μ, σ)，按上述方法操作得到的max值服從參數(shù)為μ', σ'的正態(tài)分布N(μ', σ')，其中μ'≈ μ + 3σ, σ'=σ/n1/2。

用此法可得到每道的10,000個(gè)max的平均值，記作b，是真正的基線(xiàn)值加上了3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差(由于基線(xiàn)跳動(dòng)和噪聲等因素綜合引起的)，如圖2灰色線(xiàn)所示。此法取得的基線(xiàn)穩(wěn)定，引進(jìn)的額外誤差最少，實(shí)際應(yīng)用中，零壓縮的效果最好。由圖2可知，電子學(xué)積分非線(xiàn)性測(cè)量模式取得的截距值各道波動(dòng)最大，在高端與電荷分辨率測(cè)量模式測(cè)得的值一致。原因在于，在電荷分辨測(cè)量模式中，由程序控制產(chǎn)生的信號(hào)送至電荷靈敏前置放大器端的定值電容時(shí)，即使設(shè)定DAC值為0，在電荷靈敏前置放大器端的定值電容上仍存在一定電荷，故測(cè)到的值應(yīng)在實(shí)際基線(xiàn)值之上；另一方面，由程序控制發(fā)給各道的信號(hào)幅度經(jīng) DAC后幅度并不相等，且各道的定值電容也并不相同，造成這種方法測(cè)得的各道基線(xiàn)值跳動(dòng)較大。

積分非線(xiàn)性測(cè)量模式實(shí)驗(yàn)中，把由程序控制的DAC值與電荷靈敏前置放大器響應(yīng)的誤差全部歸結(jié)到非線(xiàn)性測(cè)量的結(jié)果處(與“電荷分辨刻度模式”中的影響情況相同)。這種做法可給出電子學(xué)的非線(xiàn)性指標(biāo)，只要非線(xiàn)性小于某值，就認(rèn)為電子學(xué)非線(xiàn)性指標(biāo)符合要求。但用此法取基線(xiàn)會(huì)帶來(lái)誤差，表現(xiàn)為電子學(xué)非線(xiàn)性的低端測(cè)量效應(yīng)，即實(shí)際測(cè)量時(shí)的數(shù)據(jù)點(diǎn)在低端會(huì)有上揚(yáng)。因?yàn)樾盘?hào)幅度小于噪聲幅度時(shí)，電子學(xué)無(wú)法測(cè)到信號(hào)值。程序?qū)Σ煌珼AC值采樣50次作平均，得到該DAC值處的幅度值，再對(duì)不同幅度值作最小二乘法擬合，得到截距值，這樣會(huì)引進(jìn)擬合誤差。此法引進(jìn)多個(gè)因素的誤差，造成誤差偏大。若用此法取基線(xiàn)，結(jié)果將出現(xiàn)某些數(shù)據(jù)被誤壓縮，而另一些應(yīng)壓縮掉的數(shù)據(jù)則未被壓縮(圖3a )。

圖3 無(wú)零壓縮時(shí)(a)及用1.2方法作零壓縮閾值時(shí)(b)單次擊中事例讀出條響應(yīng)Fig.3 Single hit sample without zero-suppression(a)and with zero-suppression(b).

2 零壓縮閾值的設(shè)定

在數(shù)據(jù)采集和傳輸應(yīng)用中，為提高計(jì)數(shù)能力，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行零壓縮是普遍使用的方法，恰當(dāng)?shù)牧銐嚎s閾值可在一定程度上壓縮掉噪聲信號(hào)，提高數(shù)據(jù)利用率。為達(dá)到最大壓縮數(shù)據(jù)量的目的，在不壓縮掉小信號(hào)前提下，零壓縮閾值越大，效果越好。此時(shí)還要考慮信號(hào)起伏因素即最小信號(hào)情況。以X方向讀出條為例，要不壓縮掉小信號(hào)，需nσ<10 fC。

綜合上述兩因素，實(shí)驗(yàn)得到零壓縮閾值為hch=bch+σch時(shí)效果最好，此時(shí)hch=μch+4σch。單次事例零壓縮效果如圖4所示。得到的數(shù)據(jù)中幾乎全部為有響應(yīng)的讀出條數(shù)據(jù)，而無(wú)相應(yīng)的讀出條數(shù)據(jù)全部被零壓縮機(jī)制壓縮掉，從而大大提高數(shù)據(jù)利用率。

圖4 零壓縮后的單次事例讀出條響應(yīng)情況Fig.4 Test result of firing strips with zero-suppression.

3 結(jié)語(yǔ)

基于同步輻射實(shí)驗(yàn)對(duì)探測(cè)器計(jì)數(shù)率的要求，對(duì)GEM探測(cè)器采取零壓縮方法提高數(shù)據(jù)帶寬利用率，通過(guò)理論分析給出三種基線(xiàn)獲取方法。電子學(xué)積分非線(xiàn)性測(cè)量模式取得的截距值各道波動(dòng)最大，從而造成這種方法測(cè)得的各道基線(xiàn)值跳動(dòng)較大，結(jié)果出現(xiàn)某些地方數(shù)據(jù)被誤壓縮，而另一些地方應(yīng)該壓縮掉的數(shù)據(jù)反而未被壓縮。結(jié)合實(shí)際測(cè)量對(duì)比研究，給出準(zhǔn)確的零壓縮閾值的設(shè)定方法。采用此方法，實(shí)現(xiàn)了良好的零壓縮效果，數(shù)據(jù)有效率提高近 50倍，計(jì)數(shù)率由零壓縮前的2 kHz增加至25 kHz。得益于統(tǒng)計(jì)量的大幅度增加，圖像質(zhì)量也明顯提升。此方法對(duì)其它場(chǎng)合零壓縮的設(shè)定，如采用波形重建方法獲取基線(xiàn)也具有參考意義。

1 Sauli F. Gem: A new concept for electron amplification in gas detectors[J]. Nucl Instrum Methods Phys Res Sect A, 1997, 386(2–3): 531–534

2 Bencivenni G, Felici G, Murtas F, et al. A triple gem detector with pad readout for high rate charged particle triggering[J]. Nucl Instrum Methods Phys Res Sect A, 2002, 488(3): 493–502

3 Aulchenko V M, Baru S E, Evdokov O V, et al. Fast high resolution gaseous detectors for diffraction experiments and imaging at synchrotron radiation beam[J]. Nucl Instrum Methods Phys Res Sect A, 2010, 623(1): 600–602

4 Anulli F, Balla A, Bencivenni G, et al. A triple gem gamma camera for medical application[J]. Nucl Instrum Methods Phys Res Sect A, 2007, 572(1): 266–267

5 Andersson H, Andersson T, Heino J, et al. Gem detectors for x-ray astronomy[J]. Nucl Instrum Methods Phys Res Sect A, 2003, 513(1–2): 155–158

6 董 靜, 呂新宇, 劉 賁, 等. 基于讀出條讀出的二維位置靈敏氣體電子倍增器的研制[J]. 物理學(xué)報(bào), 2010, 59(9): 6029–6035

DONG Jing, LU Xinyu, LIU Ben, et al. The study of the two-dimentional position sensitive gas electron multiplier based on strips readout[J]. Acta Phys Sinica, 2010, 59(9): 6029–6035