CN217360323U

CN217360323U - 用于nica-mpd电磁量能器的电子学读出系统

Info

Publication number: CN217360323U
Application number: CN202222022208.6U
Authority: CN
Inventors: 胡坤; 王永红; 杨驰
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2022-08-03
Filing date: 2022-08-03
Publication date: 2022-09-02
Anticipated expiration: 2032-08-03

Abstract

本申请属于粒子物理与原子核物理领域，公开了一种用于NICA‑MPD电磁量能器的电子学读出系统，包括SiPM探测器，其阴极分别接电阻R1和电容C1，其阳极分别接电阻R2和电容C2，所述电容C1和电容C2均与电荷灵敏放大电路连接，所述电荷灵敏放大电路包括高阻放大器U0，所述电容C1和电容C2均与高阻放大器U0的负向端连接，所述高阻放大器U0的负向端与输出端之间并联设置电阻Rf和电容Cf，所述高阻放大器U0的负向端与RC积分成形电路连接，其优点在于，解决ECal探测器在宇宙线测试下的光信号读出问题。

Description

用于NICA-MPD电磁量能器的电子学读出系统

技术领域

本申请属于粒子物理与原子核物理领域，具体涉及一种用于NICA-MPD电磁量能器的电子学读出系统。

背景技术

目前，NICA（基于核电子的离子对撞机）是一个新的加速器综合体，以研究高密度重子物质的性质。MPD（多功能探测器）是一台4π谱仪，能够在NICA对撞机的能量范围内，以高亮度检测重离子碰撞中的带电强子、电子和光子。ECal（电磁量能器）是MPD的一个重要子探测器，ECal是由38400个tower组成，16个tower组成一个Module，每一个tower有16根波长位移光纤（WLSF）均匀穿过，当有粒子穿过ECal时塑料闪烁体会由于粒子能量沉积发出蓝光，WLSF通过改变波长将蓝光转换为绿光。因为光子无法直接由电子学系统探测，所以在光纤输出端空气耦合光电探测器。目前，测试面临的问题是要批量测试，一次可以同时测试1个Module中的16个tower，PMT无法实现这样的需求。而SiPM具有体积小、偏压小、对磁场不灵敏、能量分辨率高等特点，提高测试效率，是较好的选择。

实用新型内容

基于上述问题，本申请提供一种测试效率高的用于NICA-MPD电磁量能器的电子学读出系统。其技术手段为，

一种用于NICA-MPD电磁量能器的电子学读出系统，包括SiPM适配器，其阴极分别接电阻R1和电容C1，其阳极分别接电阻R2和电容C2，所述电容C1和电容C2均与电荷灵敏放大电路连接，所述电荷灵敏放大电路包括高阻放大器U0，所述电容C1和电容C2均与高阻放大器U0的负向端连接，所述高阻放大器U0的负向端与输出端之间并联设置电阻Rf和电容Cf，所述高阻放大器U0的负向端与RC积分成形电路连接，所述RC积分成形电路包括滤波放大器U2、电阻R9、电阻R10，高阻放大器U0的负向端通过电阻R9、电阻R10与滤波放大器U2的正向端连接，所述滤波放大器U2的正向端通过电容C5接地，所述电阻R9、电阻R10分别与电容C4连接，所述电容C4另一端接滤波放大器U2输出端，滤波放大器U2输出端与其负向端之间设有电阻R5。

优选的，所述高阻放大器U0的输出端与极零相消电路连接，所述极零相消电路包括电容C3和电阻R3，所述电容C3与电阻R3并联，所述电容C3与电阻R3分别与RC积分成形电路、高阻放大器U0的输出端连接。

优选的，所述极零相消电路与RC积分成形电路之间设置隔离放大器U1，所述隔离放大器U1的正向端分别与电容C3、电阻R3连接，其负向端与输出端直接连接。

优选的，所述隔离放大器U1的输出端与RC积分成形电路的电阻R9连接，所述RC积分成形电路的滤波放大器U2的输出端与第二个RC积分成形电路的电阻R11连接，第二个RC积分成形电路的滤波放大器U3的输出端与增益调整电路连接，所述增益调整电路包括增益放大器U4，所述增益放大器U4的正向端与第二个RC积分成形电路的滤波放大器U3的输出端连接，所述增益放大器U4的负向端与输出端之间设有电阻R8，所述电阻R8通过电阻R7接地。

优选的，所述SiPM探测器设置在第一个PCB电路板上，SiPM探测器与电源连接器连接，所述的电源连接器用以给SiPM探测器提供合适的偏置电压，所述的SiPM作为光电探测元件，当探测到波长位移光纤WLSF传来的光子时，会产生数量均匀且可以具体量化的电荷。

优选的，所述电荷灵敏放大电路、极零相消电路、隔离放大器U1、RC积分成形电路和增益调整电路组成积分成形电子学系统，所述积分成形电子学系统设置在第二个PCB电路板上，两个所述PCB电路板上均设有电源接口插件、FH12系列接插件和SMA接头。

优选的，焊接有SiPM探测器的第一个PCB电路板采用四层设计，顶层输出正电流脉冲，底层输出负电流脉冲，底层的反面焊接SiPM探测器，中间两层分别是电源层和接地层。

有益效果

NICA大型国际合作实验MPD探测器中ECal量能器是一种全新的粒子探测器，本实用新型为此类探测器提供了一种可以快速定制、低功耗、低噪声的信号处理与读出电子学系统。

附图说明

图1为单个SiPM的正电荷与负电荷读出原理图。

图2为积分成形电子学系统的单通道信号处理原理图。

图3为基于数字化仪器的ECal量能器信号读出系统。

图4为单个SiPM适配器结构示意图。

具体实施方式

以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。

本实用新型所采用的技术方案是使用两张PCB电路板来实现信号处理，其中一张焊接16个SiPM探测器（日本滨松公司的SiPM（S13360-6050PE）），另一张PCB电路板焊接16个积分成形电子学系统，两套PCB电路板之间是通过软扁平电线缆连接的。两个所述PCB电路板上均设有电源接口插件、FH12系列接插件和SMA接头。

图4所示，焊接有SiPM探测器的PCB电路板称为SiPM适配器，SiPM适配器采用4层设计，顶层（Top Layer）输出正电流脉冲，辅助电路也是焊接在这一层，底层（Bottom Layer）输出负电流脉冲，底层的反面焊接SiPM探测器，中间两层分别是电源层（PWR）和接地层（GND）。

图1所示，所述的SiPM探测器作为光电探测元件，当探测到波长位移光纤WLSF传来的光子时，会产生数量均匀且可以具体量化的电荷。

所述的电源连接器用以给SiPM探测器提供合适的偏置电压。

所述的电阻R1和电阻R2用于限制每个SiPM探测器输出电流的分流大小。

所述电容C1和电容C2不仅实现了电流信号的交流耦合，还可以防止SiPM探测器的偏置电压对积分成形电子学的输入级造成损伤，实现了对积分成形电子学中前端电路的保护。

所述的FH12系列接插件，用于实现SiPM测探器与积分成形电子学的信号连接。

焊接有积分成形电子学系统的PCB电路板同样采用4层板设计，其上包括16路积分成形放大电路、电源接口插件、FH12系列接插件和16个SMA接头。

所述的电源接口插件连接外部电源，用于给放大器供电。

所述的FH12系列接插件用于接收SiPM测探器的16路电流信号。

所述的16个SMA接头输出整形后的电压波形。

图2所示，所述的积分成形放大电路包括电荷灵敏放大电路（CSA）、极零相消电路（PZC）、隔离放大器U1、RC积分成形电路、增益调整器（PA）。

电荷灵敏放大电路（CSA）包括高阻放大器U0、电容Cf、电阻Rf；电容Cf实现了对输入弱电流信号的积分放大；电阻Rf实现了对积分电荷的慢速泄放，以防止放大器饱和。

SiPM探测器的阴极分别接电阻R1和电容C1，其阳极分别接电阻R2和电容C2，所述电容C1和电容C2与高阻放大器U0的负向端连接，所述高阻放大器U0的负向端与输出端之间并列设置电阻Rf和电容Cf。

极零相消电路（PZC）包括电容C3、电阻R3和电阻R4，三者构成的传输函数包含了一个极点和一个零点，使积分后的信号快速回到基线，通过调整电阻R3和电阻R4可改变电路的极点和零点；高阻放大器U0的输出端与极零相消电路连接，所述极零相消电路包括电容C3和电阻R3，所述电容C3与电阻R3并联，所述电容C3与电阻R3分别与RC积分成形电路、高阻放大器U0的输出端连接。

隔离放大器U1的增益为1，所述隔离放大器U1的正向端分别与电容C3、电阻R3连接，其负向端与输出端直接连接。

所述RC积分成形电路包括滤波放大器U2、电阻R9、电阻R10，高阻放大器的负向端通过电阻R9、电阻R10与滤波放大器U2的正向端连接，所述滤波放大器U2的正向端通过电容C5接地，所述电阻R9、电阻R10分别与电容C4连接，电阻R10一端通过电容C5接地；所述电容C4另一端接滤波放大器U2输出端，滤波放大器U2输出端与其负向端之间设有电阻R5，电阻R5一端通过电阻R6接地。RC积分成形电路的滤波放大器U2的输出端与第二个RC积分成形电路的电阻R11连接，电阻R11分别与电阻R12、电容C6连接，电阻R12分别连接第二个RC积分成形电路的滤波放大器U3的正向端、电容C7；电容C6与第二个RC积分成形电路的滤波放大器U3的输出端连接，滤波放大器U3的负向端和输出端之间设有电阻R13，电阻R13一端通过电阻R14接地。

所述增益调整电路包括增益放大器U4，所述增益放大器U4的正向端与第二个RC积分成形电路的滤波放大器U3的输出端连接。增益调整器（PA）由同相比例放大电路实现，用于调整最终的输出电压输出幅度，以适应后端数字化仪器的输入需求，所述增益放大器U4的负向端与输出端之间设有电阻R8，所述电阻R8通过电阻R7接地。

图3所示，SiPM适配器与ECal的光纤空气耦合，SiPM探测器作为光电探测元件，当探测到波长位移光纤WLSF传来的光子时，会产生数量均匀且可以具体量化的电荷。用软扁平电线缆连接SiPM适配器和积分成形放大电路板，由积分成形放大电路处理SiPM适配器得到的电荷。16路积分成形放大电路的输出连接数字化仪器DT5742进行实时采集波形和数据以便后续的数据处理。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种用于NICA-MPD电磁量能器的电子学读出系统，其特征在于，包括SiPM探测器，其阴极分别接电阻R1和电容C1，其阳极分别接电阻R2和电容C2，所述电容C1和电容C2均与电荷灵敏放大电路连接，所述电荷灵敏放大电路包括高阻放大器U0，所述电容C1和电容C2均与高阻放大器U0的负向端连接，所述高阻放大器U0的负向端与输出端之间并联设置电阻Rf和电容Cf，所述高阻放大器U0的负向端与RC积分成形电路连接，所述RC积分成形电路包括滤波放大器U2、电阻R9、电阻R10，高阻放大器U0的负向端通过电阻R9、电阻R10与滤波放大器U2的正向端连接，所述滤波放大器U2的正向端通过电容C5接地，所述电阻R9、电阻R10分别与电容C4连接，所述电容C4另一端接滤波放大器U2输出端，滤波放大器U2输出端与其负向端之间设有电阻R5。

2.根据权利要求1所述的用于NICA-MPD电磁量能器的电子学读出系统，其特征在于，所述高阻放大器U0的输出端与极零相消电路连接，所述极零相消电路包括电容C3和电阻R3，所述电容C3与电阻R3并联，所述电容C3与电阻R3分别与RC积分成形电路、高阻放大器U0的输出端连接。

3.根据权利要求2所述的用于NICA-MPD电磁量能器的电子学读出系统，其特征在于，所述极零相消电路与RC积分成形电路之间设置隔离放大器U1，所述隔离放大器U1的正向端分别与电容C3、电阻R3连接，其负向端与输出端直接连接。

4.根据权利要求3所述的用于NICA-MPD电磁量能器的电子学读出系统，其特征在于，所述隔离放大器U1的输出端与RC积分成形电路的电阻R9连接，所述RC积分成形电路的滤波放大器U2的输出端与第二个RC积分成形电路的电阻R11连接，第二个RC积分成形电路的滤波放大器U3的输出端与增益调整电路连接，所述增益调整电路包括增益放大器U4，所述增益放大器U4的正向端与第二个RC积分成形电路的滤波放大器U3的输出端连接，所述增益放大器U4的负向端与输出端之间设有电阻R8，所述电阻R8通过电阻R7接地。

5.根据权利要求4所述的用于NICA-MPD电磁量能器的电子学读出系统，其特征在于，所述SiPM探测器设置在第一个PCB电路板上，SiPM探测器与电源连接器连接，所述的电源连接器用以给SiPM探测器提供合适的偏置电压，所述的SiPM探测器作为光电探测元件，当探测到波长位移光纤WLSF传来的光子时，会产生数量均匀且可以具体量化的电荷。

6.根据权利要求5所述的用于NICA-MPD电磁量能器的电子学读出系统，其特征在于，所述电荷灵敏放大电路、极零相消电路、隔离放大器U1、RC积分成形电路和增益调整电路组成积分成形电子学系统，所述积分成形电子学系统设置在第二个PCB电路板上，两个所述PCB电路板上均设有电源接口插件、FH12系列接插件和SMA接头。

7.根据权利要求5所述的用于NICA-MPD电磁量能器的电子学读出系统，其特征在于，焊接有SiPM探测器的第一个PCB电路板采用四层设计，顶层输出正电流脉冲，底层输出负电流脉冲，底层的反面焊接SiPM探测器，中间两层分别是电源层和接地层。