丁卫撑 王 义 黄洪全 王 敏

1（成都理工大学地学核技术四川省重点实验室 成都 610059）

2（清华大学工程物理系粒子技术与辐射成像教育部重点实验室 北京 100084）

基于多气隙电阻板室(MRPC)的飞行时间(TOF)探测器是 ALICE、CBM、STAR、NICA[1−3]等大型实验装置中的主要探测器之一，它需要大量的前端电子学通道，一般采用NINO技术放大传输，采用HPTDC技术数字化[4]。对于一些小型的TOF测试系统，比如MRPC探测器样机性能的宇宙射线测试和束流实验，简单的前端电子学系统配合高速数据获取系统是比较理想的技术方案。MRPC探测器输出电流信号小且脉冲前沿快而窄[5]（电流一般为几个 nA，上升时间为几个 ns，可减少脉冲前沿甄别时间晃动），在用MRPC做粒子飞行时间探测中，需获取探测器输出脉冲信号的幅度信息和其前沿的时间信息。由于受放大器带宽、放大转换速度、噪声等因素的限制，一般的前置电流型放大器无法满足这一要求。本文介绍的TOF前端电子学模块有价格低廉、制作方便、便于快速组装测试系统等优点。

1 TOF探测信号放大器结构和原理

放大器电路原理结构如图1，由于MRPC探测器两级输出信号极性相反，所以可用MRPC探测器输出信号的特点，通过第一级差分放大器将极性相反的电流信号转换为极性相反的差模电压信号。该差模电压信号其中一路经快速比较器甄别，获取脉冲信号前沿时间信息，另一路经第二级差分放大器进一步放大，传输到幅度获取系统。

“IN+”接 MRPC负高压电极侧的信号输出端，也即正信号输出端，“IN-”接 MRPC正高压电极侧的信号输出端，也即负信号输出端。经过前端电子学放大甄别后，时间信号和脉冲幅度信号输出均为负信号。

图1 电路原理结构框图Fig.1 Structure of circuit.

2 MRPC信号分析

图2为示波器记录到的MRPC输出原始信号，示波器采用50 Ω电阻匹配，通道1为负极输出信号，通道2为正极输出信号，通道3为宇宙线符合信号。从图2看出，MRPC探测器在宇宙线作用下，正负输出信号幅度均在~5 mV，信号上升沿小于10 ns。

图2 MRPC输出信号Fig.2 Output signal of MRPC.

采用式(1)单边衰减信号来模拟 MRPC的输出信号进行频域分析，根据MRPC信号边沿特点确定参数α、β，做出的频谱分析得出放大器的信号带宽需达到400 MHz以上[6]。

3 减小噪声及干扰的措施

3.1 第一级放大器件选择

噪声是影响放大器性能的主要因素，在低噪声快速前置放大器设计中，尤其要考虑第一级电路的噪声引入。因此，第一级放大器选择至关重要，针对 MRPC输出信号的特点，主要考虑以下几个参数：

(1) 带宽要足够宽，满足MRPC输出信号放大器带宽的要求。

(2) 反应足够快，能达到放大快速信号的目的。

(3) 温漂及电子学噪声系数尽量小，符合MRPC探测器信号低信噪比要求。

3.2 电路设计工艺

除电路结构设计、元件参数选择外，另一个制约测量精度的是电路制作工艺。要达到MRPC信号输出的低噪声快速放大目的，电路设计工艺应注意：

(1) 引线合理：放大电路的布线要合理，放大电路输入线与输出线分开走线，不能并行走线，输入线采用双绞线。

(2) 屏蔽密封：两个输入端用屏蔽环完全环绕，并将屏蔽环与信号地、屏蔽盒连接。

(3) 电源及接地：供电宜采用三端稳压器件输出电源，可有效减少电源引入干扰。各通道、电路及每个通道的电路各部分的电源应相互隔离。采用2 Ω小电阻相互隔离，并在主要芯片电源输入点设置陶瓷高频滤波电容及钽电容，起滤波及电源续流作用。在接地方面，由于放大电路中各个回路都以地作为电流返回的通路，但地线上的阻抗实际上不是零而形成极小的电位梯度，且地线与信号线偶合又会增加噪声干扰，因此尽量减少接地点或减少不同接地点的距离。用多层电路板设计，采用独立的电源层和独立地层，来减小导线阻抗形成的电位梯度差对放大器的影响。

(4) 电路板设计：用多层板设计，采用独立的电源层、地层及信号层，信号层与电源层之间通过地层隔离。

3.3 放大器物理连接

MRPC探测器信号输出端等效输出电容大(几十pf)，输出电荷量小(~50 fC)，为使信号通过长电缆传输到数据获取系统能被甄别，须经过多级放大处理，总共放大增益~500倍。如此大的放大倍数需要有足够低的电子学噪声。同时，由于信号很快，一般用特性阻抗为~92 Ω的双绞线传输，因此在输入端需作92 Ω阻抗匹配设计。

系统的做法是将模块分为两部分：信号的引入底板和电子学电路。信号引入底板通过阻抗匹配接口与探测器信号输出端相连；电子学电路的信号输入通过信号底板引入，信号底板起屏蔽电磁干扰作用。前端电子学电路板为6层，其中2层为地层，2层为电源层，2层为信号走线层。

测试气体的温度会影响探测器噪声及时间分辨率等性能。为减少温度影响，电子学模块与探测器之间存在空隙，可使电子学电路的热不容易传入到测试气体中。由于MRPC信号输出端的等效电容远大于电子学电路信号输入端的等效输入电容，因此需对输入端的阻抗匹配做最佳设计。放大器的反馈网络决定了放大器的放大增益和带宽，因此需针对具体要求通过反馈电阻网络对输入参数作最优化设计，这需要利用MRPC宇宙射线测试系统进行优化调试，当调试完成后，批量生产。

4 电路设计及参数选择

实际应用中，仅取“IN+”端信号，即 MRPC正信号输出端，实用电路如图 3，电路主要分四部分：系统电源、第一级放大、第二级放大和脉冲前沿快速甄别。选取Maxim公司的MAX3760低噪声互阻放大器作为第一级放大器，其跨阻为6.5 kΩ，噪声仅为73 nA，频带560 MHz，可很好的放大上述快速小信号。同时，芯片本身带有倒相放大功能，输出为差模信号，方便后续电路设计。第二级放大器采用 AD8001AR，其在两倍增益时频宽为 440 MHz，与第一级输出信号频宽相匹配。时间前沿快速甄别器需要小的时延及时延的离散值，AD96685BR时延为~2.5 ns，离散值仅为50 ps，输出为ECL电平，与NIM电平转换较方便。

图3 MRPC前端电子学实用电路Fig.3 A practical circuit front-end electronics of MRPC.

电路中，R3、R8和 C3主要起信号输入成型及阻抗匹配作用，R3值选取92 Ω，与MRPC信号输出双绞线阻抗匹配。R3、R8虽然对输入信号有一定程度的衰减，但这减小了双绞线输出与放大器连接信号的不稳定性和抖动。HSMS2822肖特基双向二极管 D1主要起保护作用，当输入信号超过额定值时，肖特基双向二极管导通，从而保护后续电路。

信号经交流耦合电容 C3进入快速电流放大器MAX3760，由MAX3760进行双向放大，转化成差模信号后分为两路输出，其中一路通过AD8001AR进行二级放大，合理的选择反馈电阻 R19值，控制放大倍数及带宽。信号另一路通过 C4、R4和 C5、R12微分电路进入时间前沿快速甄别器AD96685BR，其反向输出端通过脉冲宽度限定电容C6接到AD96685BR的锁定控制端LE，LE通过R3和R11分压网络被拉成低电平，平时处于开启状态。当甄别到脉冲时，LE被短暂锁定，从而保证时间甄别脉冲前沿的稳定。AD96685BR输出的是ECL电平，时间测量插件通常采用 NIM 电平，因此通过AT41411高频三极管Q1进行反向后转换成NIM电平。R12、R14和 R18电阻分压网络对甄别阈值进行限定，通过电源模块的电位器调整 VHT电压，从而调整甄别阈值。

5 性能测试

5.1 线性测试

采用精密脉冲发生器产生的近似阶跃信号测试，通过对阶跃信号积分，取脉冲前沿成型后的脉冲信号作为放大器的输入脉冲信号。实际上该信号已衰减一部分，取精密脉冲发生器产生输出的阶跃信号幅度作为输入信号幅度。放大器线性测试结果如图4，可见在输入信号幅度小于5 mV时，放大器线性较好，MRPC信号输出在其线性放大区。而大于5 mV时，放大器线性度降低，分析原因初步认为是受放大器本底噪声、跨导电阻、增益带宽比的影响。在一级放大器器件选型时选择更低噪声、更小跨导电阻、更高带宽增益比将有利于提高放大器的放大线性范围。

图4 放大器线性测试结果Fig.4 Test results of amplifier linearity.

5.2 MRPC信号测试

采用MRPC宇宙射线测试系统[7]，通过宇宙望远镜符合信号触发，获得经放大器放大后MRPC信号如图5，其中通道1为幅度信号，通道4为时间信号，通道2为宇宙线符合信号。从图5看出，MRPC时间输出信号领先宇宙望远镜信号~100 ns，放大器幅度输出信号前沿<10 ns。在宇宙射线测试系统中，时间信号连接TDC测量系统，幅度信号连接QDC测量系统。幅度信号通过延迟线延迟后使其处于宇宙射线触发脉冲信号宽度之内。时间信号启动TDC测量，宇宙望远镜符合信号作为TDC测量的停止时间，作为 QDC测量的启动时间，使数据测量系统完成对MRPC输出时间信号和幅度信号的测量。

图5 实测放大器输出信号Fig.5 Measured amplifier output signal.

6 结语

通过分离元件研制的 MRPC前端电子学模块有价格低廉、制作方便、便于快速组装测试系统等优点，很容易进行 MRPC性能测试。现已应用于CBM实验用MRPC探测器和STAR实验m子探测MTD批量生产时的宇宙射线测试系统中。该电子学模块还可作为辐射探测中探测器(如 GEM、3He管中子探测、RPC等)输出信号的前置放大和甄别。

1 Akindinov A, Alici A, Antonioli P, et al. Final test of the MRPC production for the ALICE TOF detector[J]. Nucl Instr Meth, 2009, A602: 709−712

2 Llope W J, Nussbaum T, Eppley G, et al. Simple front-end electronics for multigap resistive plate chambers[J]. Nucl Instr Meth, 2008, A596: 430−433

3 Wang Y, CHENG Jianping, LI Yuanjing, et al. Study on the performance of multi-gap resistive plate chambers[J].Nucl Instr Meth, 2005, A538: 425−430

4 Anghinolfi F, Jarron P, Krummenacher F, et al. NINO:An ultrafast low-power front-end amplifier discriminator for the time-of-flight detector in the ALICE experiment[J].IEEE Trans Nucl Sci, 2004, NS-51: 1974−1978

5 Technical Design Report of the ALICE Time-of-Flight System[R]. CERN/LHCC 2002-016

6 田阳, 王义, 李元景, 等. 一种用于放大快速小信号的电流灵敏型前置放大器/甄别器的研制[J]. 核电子学与探测技术, 2009, 29(2): 386−389 TIAN Yang, WANG Yi, LI Yuanjing, et al. A current-sensitive preamplifier/discriminator used for small fast signals[J]. Nuclear Electronics & Detection Technology, 2009, 29(2): 386−389

7 丁卫撑. MRPC探测器研制及性能研究[D]. 清华大学博士后研究报告, 2011 DING Weicheng. R&D and performance study of MRPC detector[D]. Postdoctoral Research Report of Tsinghua University, 2011