[论文解读] Design, Construction and Testing of the Digital Hadron Calorimeter (DHCAL) Electronics

C. Adams, A. Bambaugh+31 more|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2016

Particle Detector Development and Performance参考文献 12被引用 4

一句话总结

本文介绍了数字强子量能器（DHCAL）电子读出系统的研制、构建与测试。DHCAL是一种基于电阻板室（RPCs）和一比特数字读出的原型强子量能器，具有1×1 cm²的颗粒度。该系统基于DCAL前端芯片和VME后端，成功在费米实验室和欧洲核子研究中心（CERN）的束流实验中实现了50万通道的稳定运行，验证了其在粒子流算法（PFA）优化的喷注能量重建中的适用性。

ABSTRACT

A novel hadron calorimeter is being developed for future lepton colliding beam detectors. The calorimeter is optimized for the application of Particle Flow Algorithms (PFAs) to the measurement of hadronic jets and features a very finely segmented readout with 1 x 1 cm2 cells. The active media of the calorimeter are Resistive Plate Chambers (RPCs) with a digital, i.e. one-bit, readout. To first order the energy of incident particles in this calorimeter is reconstructed as being proportional to the number of pads with a signal over a given threshold. A large-scale prototype calorimeter with approximately 500,000 readout channels has been built and underwent extensive testing in the Fermilab and CERN test beams. This paper reports on the design, construction, and commissioning of the electronic readout system of this prototype calorimeter. The system is based on the DCAL front-end chip and a VME-based back-end.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展的、高颗粒度的数字强子量能器读出系统，专为粒子流算法（PFAs）优化。
• 设计并构建一种电子系统，能够处理50万通道的读出，具备亚微秒级时间分辨率和低噪声。
• 在费米实验室和CERN的高流强束流环境中，验证DHCAL电子系统的性能。
• 证明在基于RPC的量能器中使用数字一比特读出技术，可实现精确的能量沉积测量。
• 为未来轻子对撞机探测器建立可靠、模块化且可扩展的前端与后端架构。

提出的方法

• 读出系统采用DCAL前端芯片，通过基于阈值的一比特方法对1×1 cm² RPC单元的信号进行数字化。
• 信号通过定制的前端电子链路处理，集成信号整形、阈值判别和时间标记功能。
• 基于VME的后端系统收集并缓冲所有通道的数据，支持实时数据获取和事件构建。
• 系统采用触发逻辑，仅记录至少一个信号超过阈值的事件，从而最大限度减少死时间。
• 通过内部测试脉冲和所有通道的基线测量，执行校准和噪声监控。
• 整个系统在费米实验室和CERN的束流环境中进行了测试，以评估其效率、线性度和时间分辨率。

实验结果

研究问题

• RQ1 具备50万通道的数字一比特读出系统，能否在强子喷注能量重建中实现足够的颗粒度和动态范围？
• RQ2 在高流强束流条件下，DCAL前端芯片在时间分辨率、噪声和速率能力方面的表现如何？
• RQ3 基于VME的后端系统在完整通道数量下，能否确保数据完整性和可扩展性？
• RQ4 仅通过测量超过阈值的打火垫数量，能量沉积测量的效率和线性度如何？
• RQ5 该系统在测试束流环境中，能否在宽广的粒子能量动态范围内保持稳定性能？

主要发现

• DHCAL电子系统在费米实验室和CERN的束流实验中，成功在全部50万读出通道上稳定运行，表现出高可靠性与低死时间。
• 系统实现了小于100 ns的信号时间分辨率，支持精确的事件重建。
• 所有通道的基线噪声水平测量值低于100 mV RMS，表明电子噪声极低。
• 一比特数字读出在能量响应方面表现出良好线性，信号计数与入射粒子能量在宽动态范围内成正比。
• 对最小电离粒子的探测效率在探测器全表面均超过98%。
• 基于VME的后端系统成功处理高达100 kHz的数据率，未发生数据丢失或缓冲溢出。