DOC《电磁量能器读出电子学》

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.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C

1、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σQ 0.16fc (输入端电容为80pf) 动态范围 0.5fc ~ 1500fc 输出衰减时间 50μs 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,Cf=10-12,τf =50*10-6,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1μs,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.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: 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1μs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 成形电路的时间常数为1μs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 ε=0.1%时,则经过 τ=1μs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、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MAX5400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÷2 2.5GeV 0.625GeV 1.4*10-3 2.1*10-2 0.2% 中*2 0.625GeV 0.078GeV 2.3*10-3 2.9*10-2 0.3% 低*16 0.078GeV