抗辐照读出电子学设计-Indico@IHEP.ppt

1、赵忠尧奖学金申请答辩,中国科学技术大学核探测与核电子学国家重点实验室申请人：曹喆,2015/5/22,1,Outline,个人简历工作成绩介绍抗辐照读出电子学研究波形数字化技术研究未来工作计划深入研究波形数字化技术研究高速数据传输技术,2015/5/22,2,个人简历,教育和科研工作经历2006年7月：应用物理学专业学士学位中国科学技术大学，少年班导师：刘树彬 教授2011年6月：物理电子学专业博士学位中国科学技术大学，近代物理系导师：安琪 教授2011年10月2012年10月：PostdocUniversity of Hawaii，Department of Physics and Astr

2、onomyAdviser：Prof. Gary S. Varner2014年6月至今：博士后中国科学技术大学，物理学院导师：韩良 教授主要科研方向粒子物理实验读出电子学粒子物理实验高速数据传输,2015/5/22,3,Outline,个人简历工作成绩介绍抗辐照读出电子学研究波形数字化技术研究未来工作计划深入研究波形数字化技术研究高速数据传输技术,2015/5/22,4,空间物理实验电子学,太阳风物理来自日冕的等离子体流电子，质子，粒子，重离子，etc影响行星际空间所有物理现象卫星运行，无线通信，导航系统，电子工业，etc我国广泛发展航天领域载人航天，探月工程，北斗计划，etc太阳风离子探测静电

3、分析器扫描高压控制能谱计数飞行时间谱仪高精度时间测量修正算法,2015/5/22,5,探测器结构示意,抗辐照读出电子学研究,传统读出电子学技术TAC+ADC技术间接测量精度有限1ns，死时间大，集成度低，电路复杂高性能抗辐照器件禁运！抗辐照读出电子学设计抗辐照环境下高精度时间测量技术，前端数据处理和压缩算法粒子物理与核物理实验抗辐照电子学提供技术积累空间辐射效应电离总剂量辐照效应：性能退化单粒子效应：SEU，SEL，单粒子瞬时脉冲抗辐射防护设计整星加固屏蔽加固系统和设备级加固降额设计错误监测：电源管理，etc冗余设计：三模冗余，冷热备份，冗余纠错码，状态机错误检测元器件级加固，etc元器件级加

4、固抗辐照FPGA：反熔丝型，Flash型,2015/5/22,6,WIND实验读出电子学,Cluster实验读出电子学,单粒子闩锁,单粒子翻转,三模冗余技术,抗辐照FPGA实现TDC,抗辐照FPGASRAM型研究较多较深入抗辐照性能差：单粒子效应免疫力非常低下Flash型/反熔丝型研究较少抗辐照性能强：对单粒子效应，电离总剂量辐照效应具有较强的免疫力,TDC技术直接测量电路简单，集成度高精度高：百皮秒几十皮秒基于FPGA时间测量时钟分相技术延迟链技术,2015/5/22,7,Flash型FPGA,反熔丝型FPGA,SRAM型FPGA,时钟分相技术,延迟链技术,电子学系统结构,模拟前放模块探测器

5、信号放大和定时数字处理模块TOF时间测量能谱计数数据存储与传输温度和电流检测低压供电模块电子学系统电源扫描高压模块探测器高压,2015/5/22,8,探测器信号特征100uA量级前沿最快1ns,扫描高压模块,2015/5/22,9,HV=-2400VStep=75V,模拟前放模块,电荷灵敏前放方案专用航天级芯片电流灵敏前放方案电流放大器前沿定时,2015/5/22,10,电荷灵敏前放,电流灵敏前放,模拟前放测试,电荷灵敏前放测试,电流灵敏前放测试,2015/5/22,11,时间游动50ns,时间游动1.5ns,测试中的模拟前放,模拟前放改版设计,2015/5/22,12,电压/电荷灵敏前放+C

6、FD,ADA4937+LMH5401+LMH6702+AD8611时间游走30ps,ADA4937+ADA4937+LMH6702+AD8611时间游走110ps,数字处理模块,基于抗辐照FPGA能谱测量TDC前端数据处理算法：实时修正，压缩，存储目前正在焊接测试,2015/5/22,13,波形数字化技术,基于高速模拟存储,SCA高速采样存储+高精度低速ADC模数变换优缺点减少对高速ADC需求死时间长，SCA设计较难物理实验应用AMANDA：ATWDANTARES：ARS0/ARS1,基于高速ADC,高速高精度ADC直接模数变换优缺点电路结构简单，无死时间功耗，受限ADC技术发展物理实验应用L

7、UX：14bit105MSPSDarkside：12bit 250MSPS/14bit 100MSPS,2015/5/22,14,ATWD,ARS0,LUX,XENON100,粒子物理与核物理实验中的波形数字化,(n,)核反应截面测量BaF2探测Los Alamos DANCEAcqiris DC265: 8bit 500MSPSCERN TACAcqiris DC270: 8bit 1GSPS Acqiris DC240: 8bit 2GSPS401 GTAFAcqiris D271A: 8bit 1GSPS液态惰性气体暗物质粒子探测Itlay DarksideCAEN V1720: 12b

8、it 250MSPSCAEN V1724: 14bit 100MSPSItlay Xenon100CAEN V1724: 14bit 100MSPSUSA LUXStruck SIS3301: 14bit 105MSPS,2015/5/22,15,DANCE,GTAF,TAC,高速高精度波形数字化,粒子物理与核物理读出电子学商用插件通用性，分辨率低，指标与实验不符根据物理实验订制电子学专用性，满足实验最大性能需求信号特征高垂直分辨率、高速信号采集系统正极性或负极性单端信号动态范围:10mV10V带宽:DC250MHz江门中微子实验ADC方案PMT增益10exp7量程1100pe噪声1pe时不超

9、过10%前沿35ns,2015/5/22,16,高速高精度ADC,高速ADC技术Flash、流水线、折叠插值、交替并行采样Flash ADC速度快、精度低资源使用多、功耗大交替并行采样单信号多ADC处理提高采样率无法提高采样精度折叠插值ADC高速高精度粗量化：并行比较细量化：折叠波形、插值电路设计目标12bit，1GSPS1.8GSPS,2015/5/22,17,高速高精度波形数字化电子学系统结构,电子学系统功能数据采集时钟触发PXI 3U信号处理模块1数据采集模块2时钟模块1触发模块1下一步升级PXIe,2015/4/11,18,1.8GSPS 12bit ADC,用于粒子物理与核物理实验通

10、用波形数字化数据采集模块第一版电路基于高速ADC数据采集模块1.8GSPS 12bit正在测试,2015/5/22,19,1.8GSPS 12bit ADC,第二版电路完整的数据获取系统前放数据采集时钟触发正在设计中数据采集模块时钟和触发模块,2015/5/22,20,1GSPS 12bit ADC,江门中微子实验ADC方案测试基于高速ADC数据采集模块1GSPS 12bit正在测试,2015/5/22,21,工作成绩,参与主要项目国家自然科学基金国家重大科研仪器设备研制专项：半空间宽能谱太阳风离子探测分析器的研制（41327802）中国工程物理研究院核物理与化学研究所合作项目：高垂直分辨率、

11、高速信号采集系统样机研制江门中微子实验电子学ADC方案测试发表文章Di Yang, Zhe Cao, etc. Design of the high voltage supply module of a prototype energy spectrometer for solar wind plasma measurement, The 34th International Cosmic Ray Conference, Hague, The Netherlands, July 30 to August 6, 2015, received申请基金中央高校基本科研业务费专项资金资助：太阳风离子探

12、测多通道高精度读出电子学研究（WK2030040066）,2015/5/22,22,Outline,个人简历工作成绩介绍抗辐照读出电子学研究波形数字化技术研究未来工作计划深入研究波形数字化技术研究高速数据传输技术,2015/5/22,23,继续深入研究,抗辐照读出电子学测试基于CFD的模拟信号定时测试基于抗辐照FPGA的TDC设计计划发表12篇文章波形数字化技术测试高垂直分辨率、高速信号采集系统基于1.8GSPS 12bit ADC波形数字化测试江门中微子实验ADC方案基于1GSPS 12bit ADC波形数字化计划发表23篇文章,2015/5/22,24,时间信息提取算法,波形数字化时间信息

13、提取技术高速高精度波形数字化技术基础之上数字恒比定时法互相关（Cross Correlation）方法滑动窗口（Sliding Window）方法,2015/5/22,25,数字CFD,波形数字化前端模拟电路,前端模拟电路满足粒子物理与核物理实验信号特征提高系统SNR和ENOB变压器交流耦合带宽：MHzGHz传输线变压器运放直流耦合带宽：DCGHz全差分运放方案一：固定大增益输入动态范围100mV18dB固定增益方案二：可变增益输入动态范围10V10mV60dB大动态范围方案三：固定小增益输入动态范围1V1.52倍增益+衰减方案四：交流耦合双传输线变压器测试高带宽时ADC性能,2015/5/2

14、2,26,DC couple,AC couple,固定增益方案仿真结果,2015/5/22,27,Fixed large gain based on LMH6552,500MHz input,AC couple based on Balun,Frequency domain,Time domain,Fixed small gain based on LMH6551,Frequency domain,Time domain,2.8GHz input,Time domain,S parameter,可变增益方案仿真结果,2015/5/22,28,-23dB gain based on 2 stag

15、es PGA870,40dB gain based on 2 stages PGA870,Frequency and time domain of variable gain,工作计划为四种方案设计电路测试并优化设计方案计划发表12篇文章,高速数据传输,波形数字化带来大量数据12bit 1.8GSPS=21.6Gbps12bit 1GSPS=12Gbps传统架构数据带宽有限 VME: BES III, Daya bayCPCI: DANCEPXI: CSR in HIRFL高速数据传输方案PXIeEthernet光纤技术为无触发DAQ实现提供基础配合波形数字化应用江门中微子实验CSNS白光中子源九院中子物理实验计划发表12篇文章,2015/5/22,29,谢谢！,2015/5/22,30,