[论文解读] SAMPIC: a readout chip for fast timing detectors in particle physics and medical imaging

C. Royon|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2015

Radiation Therapy and Dosimetry参考文献 1被引用 3

一句话总结

SAMPIC 是一款专为粒子物理和医学成像中皮秒级时间测量应用设计的低成本、16通道读出芯片。它通过模拟存储器和64步采样系统捕获完整的探测器波形，实现每通道4 ps的时间分辨率，在硅探测器测试中已实现30 ps的性能表现，未来在正电子发射断层扫描（PET）系统中有望达到10 ps的时间分辨率。

ABSTRACT

We describe the new fast timing readout chip SAMPIC developed in CEA Saclay and in LAL Orsay (France) as well as the results of differents tests performed using that chip.

研究动机与目标

• 为粒子物理和医学成像中的快速时间探测器开发一款低成本、高精度的时间读出芯片。
• 克服传统时间到数字转换器（TDC）依赖判零器所带来的抖动问题，从而降低时间分辨率的劣化。
• 实现完整波形采集，以支持离线优化时间分辨率和信号表征。
• 降低每通道的死时间，提升吞吐量，尤其适用于大型强子对撞机（LHC）前向物理等高亮度应用。
• 通过降低成本至每通道约10欧元，促进在正电子发射断层扫描（PET）成像等大规模应用中的部署。

提出的方法

• 通过每通道64单元模拟存储器对完整模拟信号波形进行采样，采用基于波形的TDC方法。
• 实现独立的触发模式（自触发或外部触发），仅在触发时使用判零器，不参与时间测量。
• 采用每步6 ns的格雷计数器和每步150 ps分辨率的延迟锁定环（DLL），为采样点分配时间戳。
• 通过采样点之间的插值（线性或样条插值），利用离线算法（如恒虚警率法（CFD）和互相关法）实现亚皮秒级时间分辨率。
• 集成模数转换器（ADC）用于数字转换，并支持通过USB/以太网/光纤接口进行数据传输。
• 在后续版本中采用“乒乓”机制，将死时间降低一个数量级。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于完整波形采样的方法是否能在避免判零器引入抖动的前提下，实现亚5 ps的时间分辨率？
• RQ2 SAMPIC在不同信号幅度和延迟下的时间分辨率表现如何？
• RQ3 当SAMPIC与实际快速探测器（如硅或金刚石探测器）连接时，可实现的时间分辨率是多少？
• RQ4 通过固件和硬件优化（如‘乒乓’方法），芯片的死时间最多可降低多少？
• RQ5 SAMPIC能否通过10 ps的时间精度抑制虚假符合事件，从而实现实时正电子发射断层扫描（PET）图像重建？

主要发现

• 在对相同信号使用离线互相关或CFD算法时，SAMPIC每通道的时间分辨率约为4 ps。
• 在不同信号延迟下，时间分辨率保持平坦，两通道间时间差测量的均方根（RMS）约为5 ps。
• 信号幅度需超过450 mV才能实现约4 ps的最佳时间分辨率，低于该阈值时性能下降。
• 在与快速硅探测器的测试中，SAMPIC实现了30 ps的时间分辨率，该性能受限于探测器响应而非芯片本身。
• 芯片表现出低噪声（平均1 mV RMS，最坏情况达1.5 mV）和相邻通道间串扰低于1%。
• 未来版本计划通过‘乒乓’机制和模拟缓冲技术，将死时间从约1 μs降低至约0.1 μs，从而提升数据吞吐量。