[论文解读] FPGA Based Pico-second Time Measurement System for a DIRC-like TOF Detector

Qiang Cao, Xin Li+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2018

Atomic and Subatomic Physics Research被引用 4

一句话总结

本文提出了一种基于FPGA的皮秒级时间测量系统，用于类似DIRC的飞行时间（DTOF）探测器，采用快速微通道板光电倍增管（MCP-PMTs）和定制的前端电子学链路，包含差分放大、双阈值判别和时间-数字转换功能。在CERN的束流测试中，该系统实现了15.0 ps的符合时间分辨率，展示了其在高能物理大规模应用中具备优异的时间性能、紧凑性与可扩展性。

ABSTRACT

A prototype of DIRC-like Time-of-Flight detector (DTOF), including a pico-second time measurement electronics, is developed and tested preliminarily. The basic structure of DTOF is composed of a fused silica radiator connected to fast micro-channel plate PMTs (MCP-PMT), and readout by a dedicated FPGA (Field Programmable Gate Array) based front-end electronics. The full electronics chain consists of a programmable differential amplifier, a dual-threshold differential discriminator, and a timestamp Time-to-Digital convertor. By splitting a MCP-PMT output signal into two identical electronics chains, the coincidence time resolution (CTR) of pure electronics was measured as 5.6 ps. By the beam test in H4 (150GeV/c, Muon) at CERN, the intrinsic CTR of the whole detector prototype reaches 15.0 ps without using time-amplitude correction. The test results demonstrate that the FPGA based front-end electronics could achieve an excellent time performance for TOF detectors. It is very compact, cost effective with a high multi-channel capacity and short measurement dead time, which is very suitable for practical applications of large-scale high performance TOF detectors in particle physics spectrometer.

研究动机与目标

• 开发一种用于高能物理中飞行时间探测器的紧凑、低成本且高通道容量的前端电子学系统。
• 在原型DIRC-like TOF探测器中，利用基于FPGA的时间电子学实现亚10 ps的符合时间分辨率。
• 通过CERN H4μ子束线的真实束流环境验证系统性能。
• 证明基于FPGA的电子学在具有短死时间的大规模、高精度TOF探测器中的可行性。

提出的方法

• 系统采用熔融石英辐射体耦合快速微通道板光电倍增管（MCP-PMTs）进行光子探测。
• 可编程差分放大器对光电倍增管信号进行整形，以优化信噪比。
• 采用双阈值差分判别器以减少时间漂移，提升时间分辨率。
• 嵌入FPGA中的时间-数字转换器（TDC）实现皮秒级分辨率的时间戳采集。
• 两条相同的电子学链路处理相同的MCP-PMT信号，以实现符合时间测量。
• 整个前端电子学链路集成于单个FPGA上，实现紧凑化集成与高通道密度。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于FPGA的前端电子学系统是否能在类似DIRC的TOF探测器中实现亚10 ps的符合时间分辨率？
• RQ2 完整探测器原型的固有时间性能与纯电子学性能相比如何？
• RQ3 在真实高能物理环境中，束流诱导效应对时间分辨率有何影响？
• RQ4 该系统能否在极短死时间与高多通道容量下保持高性能时间响应？

主要发现

• 纯电子学链路实现了5.6 ps的符合时间分辨率（CTR），证明了系统固有的时间性能能力。
• 在CERN使用150 GeV/c μ子的束流测试中，完整探测器原型的固有CTR达到15.0 ps，且未进行时间-幅度校正。
• 该系统展现出优异的时间性能，适用于高能物理谱仪中大规模TOF探测器。
• 基于FPGA的设计结构紧凑、成本低廉，支持高多通道容量，并具备短测量死时间。
• 结果证实了基于FPGA的电子学在未来的高精度、可扩展TOF探测器中用于高能物理实验的可行性。