[论文解读] FERS-5200: a distributed Front-End Readout System for multidetector arrays

M. Venaruzzo, Andrea Abba+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2020

Advanced Semiconductor Detectors and Materials被引用 4

一句话总结

FERS-5200 是一种可扩展的分布式前端读出平台，适用于大型探测器阵列，采用光学 TDlink 实现最多 128 个 FERS 单元的级联连接（8,192 个通道），支持同步数据采集、低抖动时间同步，并通过可更换的 ASIC 前端支持多种探测器类型。A5202 卡基于 CITIROC-1A ASIC，实现子 1% 的 ADC 非线性度和单光电子灵敏度，适用于核物理与粒子物理实验中的高精度能谱分析与时间测量。

ABSTRACT

The FERS-5200 is the new CAEN Front-End Readout System for large detector arrays. It consists in a compact, distributed and easy-deployable solution integrating front-end based on ASICs, A/D conversion, data processing, synchronization and readout. Using the appropriate Front-End the solution perfectly fits a wide range of detectors such as SiPMs, multianode PMTs, GEMs, Silicon Strip detectors, Wire Chambers, Gas Tubes, etc. The first member of the FERS family is the unit A5202, a 64 channel readout card for SiPMs, based on the CITIROC ASIC by Weeroc SaS. The Concentrator board DT5215 can manage the readout of up to 128 cards at once, that is 8192 readout channels in case of the A5202.

研究动机与目标

• 为核物理与粒子物理实验中大型探测器阵列日益增长的可扩展性、成本效益和低抖动读出系统需求提供解决方案。
• 开发一种模块化前端平台，通过可更换的 ASIC 前端支持多种探测器类型（如 SiPM、MA-PMT、GEM 和硅条纹探测器）。
• 通过统一的硬件与数据采集（DAQ）架构，实现从小规模评估系统到大规模安装的无缝过渡。
• 利用光学 TDlink 通信实现数千通道的高通道密度、低功耗和精确同步。
• 通过 ADC 和 ToT 非线性的定量表征验证系统性能，并展示单光电子灵敏度。

提出的方法

• FERS-5200 平台采用分布式架构，每个 FERS 单元为一个紧凑的 64 通道卡，集成 ASIC 前端、ADC、TDC、FPGA 和光学 I/O，支持独立运行或网络级联。
• 采用高速 6.25 Gbit/s 光学 TDlink 协议，实现最多 16 个 FERS 单元的级联，同步传输时钟、控制命令、触发信号和数据，读出带宽超过 100 MB/s。
• 集中器板 DT5215 通过八条 TDlink 管理最多 128 个 FERS 卡，实现可扩展的 FERSnet 架构，通过 1/10 GbE 或 USB 3.0 实现集中控制与数据采集。
• A5202 卡采用 CITIROC-1A ASIC 实现 SiPM 读出，具备两个可编程可变增益前置放大器（低增益/高增益）、快速与慢速判冲器，以及带时间-幅度（ToT）测量功能的 12 位闪存 ADC。
• 通过共享参考时钟和 TDlink 上的自动同步程序实现同步，抖动极小，时间确定性高，适用于多通道应用。
• 通过脉冲信号注入和 SiPM 的 LED 激发测试评估系统性能，利用线性拟合与光电子单位下的均方根偏差分析 ADC 和 ToT 的非线性。

实验结果

研究问题

• RQ1 分布式前端读出系统是否能在低增益和高增益模式下，于宽动态范围内实现子 1% 的 ADC 非线性度？
• RQ2 在 A5202 卡上使用 CITIROC-1A ASIC 时，高增益模式下的能量分辨率和单光电子灵敏度可达何种水平？
• RQ3 TDlink 协议如何在可扩展网络中实现最多 128 个 FERS 单元的可靠、低抖动同步与数据传输？
• RQ4 FERS-5200 平台在多大程度上可通过可更换的前端 ASIC 或混合配置支持多种探测器类型？
• RQ5 低增益模式下时间-幅度（ToT）测量的非线性度如何？与 ADC 响应相比有何差异？

主要发现

• A5202 卡的 ADC 非线性度在低增益和高增益模式下均在 0.5% 至 1.5% 之间，低增益模式下线性拟合均方根为 6.8 p.e.，高增益模式下为 0.34 p.e.。
• 低增益模式下的 ToT 非线性度在 10% 以内，线性拟合均方根为 47.2 p.e.，表明其在时间与电荷测量中具有中等能量分辨率。
• 高增益模式下可实现单光电子灵敏度，ADC 测量的均方根为 0.34 p.e.，表明在单光电子水平下非线性度低于 1%。
• TDlink 协议支持超过 100 MB/s 的读出带宽，单条链路可实现最多 16 个 FERS 单元的级联，DT5215 集中器支持单个网络中最多 128 张卡（8,192 个通道）。
• 系统在多单元间实现稳定同步，自动同步程序因高优先级控制包仅引入微小且不可预测的延迟。
• 该平台实现了从小规模评估到大规模安装的无缝过渡，所有配置中均采用相同的 DAQ 与硬件架构。