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BESIII中飞行时间探测器电子学结构 2010/08/15 * Key Laboratory of Technologies of Particle Detection Electronics, CAS BESIII中飞行时间探测器电荷量的获取 信号经过差分到单端变换之后，对电容C进行充电，并且同时以恒流放电，A2放大器输出信号与阈值进行比较，最终形成的脉冲信号宽度与输入信号所携带的电荷量成比例关系。 BESIII中飞行时间探测器电荷量的最终指标 性能 动态范围30-927pC 相当于180mV~ 5V的PMT（R5942）信号 有效位~10bit 相当于10mV (R5924) 小结 本报告非常粗略地回顾了一下电荷测量的基本方法，简单介绍了国内某几个大型高能物理实验中电荷测量的应用。 近几十年来，在电荷测量的基本理论上没有很大变化，基本是通过采用新技术，来实现更大规模、更高精度、更低功耗的系统设计。在没有理论突破的前提下，这也将是近期发展的主线。 展望 对于未来的发展，本人认为有两个趋势 一、已经确定的趋势是，信号测量前端化，由于大量使用了ASIC技术，前端电子学可以极端地靠近探测器，从而使通道密度和信号测量的质量及能力极大提高； 二、也许会成为趋势的趋势是，模拟测量数字化，随着采样技术的不断提高，可以预见，在解决了一系列技术问题后，从探测器输出电流到转化为数字波形的过程将被极大压缩，“零噪声”的纯数字化信号获取及处理系统也许会改变目前基于模拟电路进行电荷测量的理论体系。 参考资料 清华版“核电子学讲义” BESIII EMC电子学系统研制报告 BESIII MDC电子学系统研制报告 BESIII TOF电子学系统研制报告 The non-gated charge-to-time converter for TOF detector in BES III，S.B. Liu, C.Q. Feng, L.F. Kang, etc. NIM A 621 (2010) 513–518 BESIII电磁量能器电荷测量的研究，博士学位论文，常劲帆 完 谢谢大家！ 高能物理中常用电荷测量方法 第十五届全国核电子学与探测技术学术年会 江晓山 中国科学院“核探测技术与核电子学”重点实验室 中国科学院高能物理研究所 2010年 8月14日 电荷量的测量 密立根油滴实验 基本电荷的确定 精确测量带电微粒电荷量的开端 e＝1.602×10-19C 密立根 （R. A. Millikan） 高能物理实验中的电荷测量 粒子通过探测器时使探测器产生电离、激发光或光电转换等过程，在探测器的电接收端收集或者感应出电子和正电荷，通过外接流动通道形成需要测量的电信号。根据探测的机理，目前常用探测器输出均为电流信号 探测器输出信号的电荷量与粒子在探测器中消耗掉的能量有一定对应关系，通常情况为正比关系 得到的电子电荷的平均数=能量电荷转换系数 x 粒子在探测器中消耗掉的能量 电荷测量系统的基本结构 传统电荷测量系统，从接收到探测器的信号到最终得到数字量结果，大致分为三部分 前置放大器及成型 主放大器、成型和电缆传输 电压到数字量的转换 从方法上也可以分为积分型电荷测量和电流型电荷测量两种 传统前置放大器理论 由于探测器的输出阻抗往往比后接电路的输入阻抗大得多，可以等效为一个电流源。让探测器的输出电流i对一个固定电容充电即可以实现电荷电压转换： 基本的转换方法包括 电流灵敏放大器方法 电压灵敏放大器方法 电荷灵敏放大器方法 电流灵敏放大器 采用电流灵敏放大器。这种方法就是将一个电流放大器接在探测器和积分电容之间。电流灵敏放大器不但可以测量电荷量，还可以获取精确的时间信息，但要求放大器有较大的带宽。 电压灵敏放大器方法 这种方法就是将一个电压放大器直接接在探测器的输出端，以并联在放大器输入端的探测器输出电容、放大器输入电容和分布电容作为电荷充电电容来实现电荷到电压的转换过程。由于杂散电容的不稳定性，这种方法的稳定性差。因此电压灵敏放大器方法难于满足测量对于准确性、稳定性和信噪比等方面较高的要求。 电荷灵敏放大器 为了解决探测器电容及分布电容变化对信号测量的影响，往往在高精度电荷测量中使用电荷灵敏放大器的方法。 在满足ACfCi的条件下，放大器的最高输出电压与输入电荷的关系为： 电荷灵敏放大器 在电荷灵敏前放中，Cf起到电荷积累的作用。为了单独测量每一个脉冲，在Cf上并联了Rf作为放电电阻。 由于存在Rf，同样的输入电荷，输入脉冲越宽，时间常数RfCf越小，输出电压脉冲的幅度越小。 同时Rf越小，噪声越大，因此Rf选择的原则是在不发生严重堆积和饱和的情况下，尽量将Rf值选大。 基于电荷灵敏放大器的扩展结构 对应于不同的应用，在实际使用中有很多种改