粒子物理试验中的波形数字化安琪-中国科学院高能物理研究所.ppt

粒子物理实验中的波形数字化技术
2010年 8月15日
中国科学技术大学近代物理系
安琪
中国科学院“核探测技术与核电子学”重点实验室
报告内容
粒子物理实验对波形数字化技术的需求
 Flash ADC技术
 Time Interleaved ADC技术
开关电容阵列(SCA+ADC)技术
结束语
粒子物理实验对波形数字化技术的需求
 Flash ADC技术
 Time Interleaved ADC技术
开关电容阵列(SCA+ADC)技术
结束语
粒子物理实验对波形数字化技术的需求
核与粒子物理实验探测器输出脉冲信号的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;
能量信息:
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;
时间信息:
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;
波形数字化(Waveform Digitization)技术
波形数字化:
直接对探测器输出信号波形进行高速采样并数字化;不再进行传统的电荷积分、成形,对其幅度数字化获取其电荷(能量)信息。
根据香农采样定律,只要采样速率足够
高,可以无失真地恢复原脉冲波形;
优点:
很方便同时获取时间与能量信息;
消除了传统电荷积分放大带来的“堆积”效应,死
时间小,适应于高亮度、高事例率的物理实验;
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。
传统技术路线:能量: CSA + Shaping + ADC;
时间:快放大+ Disc. + TDC.
波形数字化的最初应用
一直以来,获取粒子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,只是技术方面有很大的障碍:采样率不够。
1985年,欧洲的科学家在CERN的UA2实验中采用了100MSPS的FADC系统,用以顶点探测器的信号读出。
据说,这是第一次在粒子物理实验中大规模采用FADC进行波形数字化读出;
1987年,美国Northwestern大学和纽约州立大学石溪分校的科学家们为费米实验室的D0实验采用了LeCroy设计的波形数字化仪LeCroy2261进行漂移室读出。LeCroy2261的采样率为100MSPS分辨率为11位。该系统通过测量漂移室感应丝上的信号波形,进一步推出波形前沿的一阶导数,从而精确确定出其空间位置;
1989年,美国BNL和纽约Columbia大学Nevis实验室的科学家则在E787实验中采用了8bit,500MSPS的ADC进行塑料闪烁体的PMT信号读出,以便在研究K+ +-衰变中达到210-10的精度;
波形数字化技术的基本要求
高变换速率(采样率);
足够的变换精度(ADC位数);
低功耗;
低成本;
高集成度(高密度);
高可靠性;
因此,对于许多实验物理学家来说,波形数字化是一个非常好的思路,但依然是一个非主流的、不够实用的技术路线。
Flash ADC技术
最高采样速度的ADC
 2n-1个高速比较器
功耗大
位数一般不超过8位
波形数字化的早期应用基本都是采用FADC
流水线型ADC
电路组成:
 
输入取样-保持放大器
多级并行比较ADC电路
取样-保持电路
并行比较ADC
高速DAC
高速相减和放大电路
缓冲寄存器和误差修正电路
输出寄存器
特点:
变换速度快;
低功耗,低成本;
 1016位分辨。
Pipelined ADC原理方框图
FADC的变型:FADC与逐次比较型ADC的结合