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1、北京正负电子对撞机重大改造工程初步设计4.10.2 电磁量能器读出电子学4.10.2.1 概述 电磁量能器读出电子学的主要功能是测量电荷量，从而确定粒子在CsI晶体中的能量损失，同时给出粗略的粒子击中晶体的时间信息。读出电子学采用传统的电荷测量方法。首先对电荷信号进行积分，积分后的信号经过放大、CR-(RC)2成形后，信号波形的峰值电压与电荷量成正比。通过对峰值电压的测量得到待测的电荷量，根据峰位出现的时刻，可以得到粒子击中晶体的时间。电磁量能器读出电子学的工作条件是：加速器的对撞周期为8ns，一级触发判选的延迟时间为6.4s。为了实现在一级触发判选完成前不丢失好事例，电磁量能器电子学采用数字
2、流水线的工作方式。系统控制、数据读出等部分采用VME总线标准。电磁量能器电子学读出系统的设计除了保证按要求精度完成电荷量测量外，还考虑了探测器性能测试及触发等部分的工作需要，尽可能为其提供方便。本系统设计了三种工作模式，根据VME主设备的指令可以方便的切换：对撞工作模式，校准工作模式和增益调节工作模式。1) 对撞工作模式 这是在对撞机对撞时谱仪系统取数的工作模式，20MHz时钟、L1均由触发系统提供且与对撞的周期同步。2) 校准工作模式 检测系统各个通道的好坏及非线性采用这种工作模式。这时由测试控制器提供20MHz时钟、L1信号，并提供一系列线性良好的电荷量，对各个通道的线性进行测试，而非线性
3、修正在VME的主设备中进行。3) 增益调节工作模式为了减少电磁量能器与触发之间的电缆，简化谱仪系统，拟将8路信号的模拟“和”送给触发。为了保证各个通道增益的一致性，须要在模拟相加前对各个通道增益进行调整。在增益调节工作模式时，测试控制器根据VME主设备的指令产生调节增益所须的串行时钟及串行数据，主放大器中的串行解码电路自动完成解码和增益值的调整。 4.10.2.2 工作原理及电子学读出系统的结构1. 系统工作条件及指标根据谱仪系统整体需要及物理测量目标的要求，电磁量能器读出电子学系统参数总结如下所示： 系统时钟 20MHz 触发判选L1延迟 6.4s 单通道事例率 不大于1KHz 电荷测量范围
4、 0.5fc 1500fc 输入端等效噪声电荷(Q) 0.16 fc (200keV) 通道数 6272 积分非线性 1 （修正前） 通道之间串扰 0.3 电子学数字化动态范围 15bit 给触发信息 8路模拟和 通道增益可在线调整 增益不一致性不大于202. 系统框图图4.10-12为电磁量能器读出电子学框图。主要分为四部分，即：前置放大器（Preamplifier）、主放大器（Post amplifier）、电荷测量系统（Q module）及测试控制系统（TEST control）。在晶体上在探测器旁边 2电荷量时间量提 取 1GlobalBufferLocalBuffer10 bitAD
5、C主放大器 16 VM ECLK前放Analog SumL1ResetL1SCLK，DINTest, DACBuffer fullTEST ControlL1CLKTriggerFan out Baffer fullL1 Reset图4.10-12电磁量能器读出电子学框图(1) 前置放大器电磁量能器总计使用6272块CsI晶体，每块晶体上安装两个型号为S274408的光二极管。两个电荷灵敏前置放大器安装在光二极管的背后，通过一个屏蔽铝盒固定在晶体上。前放的低压及光二极管的偏压均由主放大器提供。前放与主放通过一根14芯屏蔽双纽线相连接。(2) 主放大器主放大器除了提供适当的增益外，还对前放信号进
6、行准高斯成形，以降低噪声。主放大器的输出信号通过一根34芯双纽电缆送到电荷测量插件。主放大器给触发的是快成形信号，通过VME主设备可以调节每个通道的增益。 8个通道“快信号”模拟相加后，以差分形式送给触发。(3) 电荷测量及测试控制系统数字化由10bit 、20MHz 的FADC来完成。为了实现15 bit的数字化动态范围，采用了分量程的数字化方法：被测的电压信号被同时送到A、B、C三个放大器，这三个放大器的增益比为：KAKBKC1832。A、B、C三路同时被数字化，取其中之一为待测的电荷值，选取顺序为QC、QB、QA。当QC不饱和时，（FADC值小于FF），选QC为测量值。当QC饱和时（FA
7、DC值为FF），选QB为测量值，当QC、QB饱和时，选QA为测量值，数字化、寻峰及选择峰值等均由硬件完成，不会增加额外的死时间。Q插件为9U VME插件。每个插件为32 个通道，除具有数字化功能外，还具有数据处理及传送的功能。VME主设备通过TEST Control 可以选择三种不同的工作模式。系统工作所须的时钟及控制信号由TEST Control提供（或通过TEST Control提供）。TEST Control为VME插件，每个VME机箱上有一个。3 工作原理(1) 前置放大器电磁量能器总计使用6272块CsI晶体。每块晶体上安装两个PIN光敏二极管及两个前放。前放为低噪声电荷灵敏放大器。
8、电原理图4.10-13如下所示。 图4.10-13 前置放大器原理图输入级（Q1，Q4）为共源共基组合。Q1为JFET。输出级由Q2，Q10组成。为了减小电源纹波对噪声的贡献，滤波部分由Q5，Q9组成的晶体管电容倍增器来完成，从而大大降低滤波器的低端截止频率。前放设置了校准输入端，由校准电容C1、模拟开关K构成。模拟开关K开路时，C1上的稳定电荷量Q由DAC输出电压V来决定：，当模拟开关K闭合时，电荷Q被送到电荷前放。校准电路可用来检测电子学系统的好坏，标定通道增益，也可以对每个电子学通道的非线性进行测试。前置放大器的主要指标为：增益 1mV/fc等效输入端噪声Q 0.16fc (输入端电容为
9、80pf)动态范围 0.5fc 1500fc 输出衰减时间 50s最大线性输出 2V电荷灵敏放大器输出信号后沿衰减较慢，在一定的计数率下，信号会产生“堆积”。若“堆积”电平过高，将使前放的动态范围减小。设输入信号的计数率为，电流脉冲的电荷量为Q，“堆积”信号平均的输出电压为，则，这里，Cf1012，f =5010-6，Qmax = 1500fc (考虑最严重的堆积情况)。因此得到 。 的“堆积”电压（平均值）对放大器动态范围的影响是可以忽略的。 由于CsI晶体的光衰减时间常数为1s，探测器的电流信号宽度基本上没有变化，所以，弹道亏损（本身就很小）为常数，不会影响能量分辨。前放的输出采用差分信号
10、。两个前放（A、B）的输出、低压、PIN二极管的偏压及校准信号等均通过一根14芯带屏蔽的双纽线与主放大器相连。(2) 主放大器 主放大器原理图框如下：A+BABCR(RC)2from Test ControlTo Q测量To TriggerABFrom PreamplifierBLR图4.10-14主放大器原理框图为了提高信噪比，消除“堆积”，主放大器中采用了具有极零相消功能的CR-(RC)2成形电路。为了保证光收集效率及对成形后脉冲峰部的取样精度，成形电路的时间常数不可过小（与1s相比），但也不能太大，否则将引起较大的死时间。参考BELLE的经验和我们初步实验的结果表明： CR-(RC)2
11、成形电路的时间常数为1s较合适。 由于电荷量与信号的峰值电压成正比，而ADC是以20MHz的频率不断地对信号采样、AD变换。为了保证ADC的取样点能够落在“峰部”，即要求信号“峰部”的宽度应大于ADC的取样间隔。若“峰部”定义为在“峰部”内各点与峰值的偏差不超过 0.1时，则经过 1s的CR-(RC)2成形电路后，“峰部”宽度为ns。对于20MHz的取样频率来说，ADC在信号“峰部”可以取2个（或3个）点。主放大器的主要功能为：A：接受前放的差分信号，为减小干扰，使用了高共模抑止比的差分接收器接收前放A、前放B的信号。主放通过跳线可以对两个前放的信号做如下的选择：A、B或。可以提高信噪比，而A
12、、B可用于当某一通道损坏后，选择另一通道继续工作，而通道增益基本不变。B：对前放信号放大、CR-(RC)2成形，以提高信噪比及保证对峰值的取样精度。C：为前放提供低压、PIN二极管偏压及在线校准刻度信号。D：为保证提供给触发的各路增益的一致性（包括CsI、PIN二极管），每路的增益通过三线串联总线可在线调整。串行数据总计17bit，前5 个bit为插件地址，中间4 bit为通道地址，后8 bit为通道增益的设定值。首先对串行插件地址解码。当地址与本插件地址相同时，根据4 bit的通道地址产生相应的片选信号，从而完成一次通道增益数值的写入，增益调节是靠数字电位器MAX5400来实现的。由于MAX
13、5400没有存储功能，所以每次断电后重新开机，在系统初始化时，VME主设备应将各通道的增益数值逐一写入，并对写入的增益值进行检查。经过CR（微分）的“快信号”经过可变增益放大器后，8路信号模拟相加，最后以查差分形式送给触发。E：经过CR-(RC)2成形、放大的信号通过基线恢复电路后，经过单端差分变换器送Q测量插件。(3) 电荷测量A：分量程数字化BESIII电磁量能器要求测量单个晶体的能量上限大于2GeV，下限为1MeV。为了保证足够的动态范围和测量精度，数字化的量程必须不小于15bit。由于15bit、20MHz的ADC价格很高，我们采用3个10bit的FADC将主放大器输出的电荷信号分成3
14、个量程进行数字化，选择3个测量值中不饱和的最小量程的值作为最后的测量结果。量 程增 益满 量 程最小测量值数字化分辨CsI分辨总分辨退化高22.5GeV0.625GeV1.410-32.110-20.2%中20.625GeV0.078GeV2.310-32.910-20.3%低160.078GeV 20 MeV1.110-33.710-20.04%0.6MeV3.510-27.310-211%上表中数字化分辨和碘化铯晶体（CsI）分辨是相对于每一个量程最小测量值的计算结果，也是每一个量程的最坏情况。从上表的结果可以看出，分成3个量程以后不但可以覆盖物理上要求的动态范围，并且当测量值大于20MeV时数字化分
