大亚湾 PMT 读出电子学介绍

王铮

2009-4-21

中科院“核探测技术与核电子学重点实验室”年会

大亚湾实验方案

3 个实验大厅。每个实验厅内有 3 种探测器：中心探测器，水切伦科夫探测器，和 RPC 探测器。

探测器系统

中心探测器

RPC探测器

水切伦科夫探测器

DYB 中微子实验的 VME 读出系统

整个大亚湾实验，共使用光电倍增管 2498 个，需要 158 个 PMT 读出电子学（ FEE ）插件，共 14 个 VME 机箱，构成 14 个相对独立的读出子系统。

主探测器 水契伦科夫探测器 插件总数

VME

机箱总数

位置 PMTs

FEE 插件

VME 机

箱

PMTs

FEE 插件

VME 机箱

DB 近厅 192*2

12*2 2 289 8+11=19

2 43 4

LA 近厅 192*2

12*2 2 289 8+11=19

2 43 4

远厅 192*4

12*4 4 384 10+14=24

2 72 6

总数 1536

96 8 962

62 6 158

14

PMT 个数、 FEE 插件个数以及 VME 机箱统计

整个电子学系统造价 约 850 万PMT 读出插件 约 500 万

PMT读出电子学的任务• 同时满足中心探测器和水切伦科夫探测器对 PMT

信号读出的要求，共计约 2498 个 PMT 信号读出。• 功能：

– 测量每个 PMT 信号的电荷量信息– 测量击中 PMT 的时间信息– 为触发系统提供实时的 PMT 击中数 (NHIT) 信息– 为触发系统提供实时的 ESUM( 能量和 ) 信息

PMT(R5912)输出信号特征研究

由此确定 PMT 读出插件的电荷测量范围

中心探测器各 PMT 接收到的光电子数模拟

光电子数

rising edge : 4ns

falling edge : 10ns PMT gain: 107－ 3×107

linearity: 5%@(0－ 625p.e.)

Linearity of PMT output

Hamamatsu response to large light signals

PMT读出电子学系统设计指标参 数 指 标

电荷测量范围 1.6pC – 1800pC (1~4000 p.e).

电荷分辨 10% @ 1 p.e.

ADC Bits 两量程 12 位 ADC

ADC 采样频率 40 MSPS

时间测量范围 500 ns

时间分辨 (RMS) <1ns

VME 标准 VME64xp 9u,340mm

通道数 16/ 插件

设计难点

•电荷测量动态范围大： 16bit ，

•电荷分辨要求高，为 0.1 个光电子。

•解决办法：

– 分量程数字化：

• 低量程 12bit ；（ ~100pe)

• 高量程 12bit

PMT读出电子学系统构成

• 每个 VME 子系统由一个 POWER PC ，最多 16 个 FEE 插件，一块触发判选插件，一个 FADC 插件，一个扇出插件构成。每个前端电子学插件能处理 16 路光电倍增管信号。

• 采用相对独立的前端电子学系统的设计

PMT读出电子学系统构成 (续 )

VME 机箱系统

FEE 设计方案

PMT1

CR-(RC)^4Shaping

2 Ranges

ADC12 bit/40M

High speedAmpifier

Peak Value ~ PMT output charge

FPGA

积分

阈值

Disc.

~20ns width

Amp.

PMT1

0.25 p.e.

TDC

high performance FPGA

hit

L1 trigger

start

stop

delay line (640 MHz)

PMT 读出电路实现

FEE PCB 版图 FEE 插件 VME 机箱系统

FEE两量程电荷测量

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0 10000 20000 30000 40000 50000 60000DAC

ADC

CH0CH1CH2CH3CH4CH5CH6CH7CH8CH9CH10CH11CH12CH13CH14CH15

noi se(pC)

0. 000. 020. 040. 060. 080. 100. 120. 140. 160. 180. 20

0 5 10 15 20channel

nois

e(pC

)

电荷测量测试结果

时间测量测试结果Ti me measure RMS max ns（ ）

0. 00

0. 10

0. 20

0. 30

0. 40

0. 50

0. 60

0. 70

0. 80

0. 90

0 5 10 15 20channel

ASUM输出信号测试

NHIT输出信号测试

进度• 2007 年 4 月完成 FEE ver.1.0 设计

– 进行了 IHEP 模型探测器实验• 2008 年 9 月完成 FEE ver.1.2 改进• 2009 年 4 月完成 FEE ver.1.3 改进• 2009 年 10 月完成第一个中心探测器电子

学小系统（ 14 FEE ）的安装调试