由法國Saclay試驗室承擔(dān)后端電子學(xué)設(shè)計方案

讀出方案設(shè)計2目錄項目背景113原型電子學(xué)研制工程設(shè)計進展4由上海交大牽頭提出中國科大承擔(dān)電子學(xué)任務(wù)探測無中微子雙β衰變事件將在錦屏地下實驗室運行PandaX-III實驗介紹可將宇宙線通量降低百萬倍2PandaX實驗裝置33-40tonLXeDMexperimentHPXe136experiment(PandaX-IIIdetectors)PandaX-IIITPC探測器高壓氙氣TPC136Xe→136Ba+2e-200kg，Highpressure:10Bar雙端蓋讀出：采用Micro-bulkMicromegas能量分辨指標(biāo)：3%（一期）三維徑跡測量：本底抑制4讀出方案設(shè)計2目錄項目背景153原型電子學(xué)研制工程設(shè)計進展4Micromegas模塊尺寸：20cm×20cm，讀出PAD：3mm×3mm128路陽極信號(二維條讀出)1路絲網(wǎng)（Mesh）信號共82個模塊（有可能減少到64個模塊）讀出通道數(shù)陽極信號：10496路（有可能減少到8192路）Mesh信號：82路（有可能減少到64路）1.5m6PandaX-IIITPC的讀出需求7讀出通道數(shù)陽極條信號：10496路（或8192路）絲網(wǎng)信號：82路（或64路）輸入動態(tài)范圍：≥1pC信號讀出時間窗口：≥100μs噪聲（接探測器后）：<6fC（RMS）積分非線性：<3.2%增益的非均勻性：<2%其他需求低放射性本底高氣壓（10bar）水下罐體中長期可靠運行（更換和維修代價很大）PandaX-III電子學(xué)指標(biāo)需求適用于TPCMicromegas讀出的高集成度ASIC是唯一可行的選擇！8由法國CEA的Saclay實驗室設(shè)計64通道通用TPC讀出芯片動態(tài)范圍:120fC,240fC,1pC,10pC達峰時間:50ns-1μs(16values)采用開關(guān)電容陣列結(jié)構(gòu)：512個電容/通道采樣率:1MHz-100MHz讀出頻率：25MHzPandaX-III的讀出設(shè)置：動態(tài)范圍：1pC采樣單元：512采樣率：4MHz-5MHz時間窗：128μs-102.4μs前端ASIC選型：AGETx21x219讀出電子學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)后端電子學(xué)（位于控制室）數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)前端電子學(xué)（罐內(nèi)）10AD9235：12bit單通道ADC有效位：11.4bit積分非線性：±0.7LSBArtix-7XC7A100T邏輯單元：101kSRAM：4.8MbGTP：4個一塊FEC的讀出通道：256路，每路集成512個SCA單元一次事例數(shù)據(jù)量：1.57Mb事例率：10Hz（系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)）數(shù)據(jù)率：256*512*12bit*10Hz=15.7Mbps前端電子學(xué)模塊（FEC）設(shè)計方案11絲網(wǎng)信號讀出板(MRC，MeshReadoutCard)每塊MRC

42通道（TPC每端需1塊MRC）電荷靈敏前放+成形+波形采樣（前端電路基于分立器件）數(shù)據(jù)經(jīng)FPGA預(yù)處理后，通過光纖發(fā)給后端電子學(xué)用于觸發(fā)判選AD9229：四通道ADC50MSPS，12bit絲網(wǎng)讀出模塊（MRC）設(shè)計方案工程設(shè)計：最終考慮將MRC讀出功能集成到FEC中時鐘觸發(fā)模塊（MTCM）接收MRC數(shù)據(jù)，產(chǎn)生總觸發(fā)產(chǎn)生系統(tǒng)同步時鐘數(shù)據(jù)處理模塊（S-TDCM）實現(xiàn)對FEC的控制接收并匯總FEC數(shù)據(jù)由法國Saclay實驗室承擔(dān)后端電子學(xué)設(shè)計方案12讀出方案設(shè)計2目錄項目背景1133原型電子學(xué)研制工程設(shè)計進展4多個FEC板MRC板DAQ-V114研制完成的多種原型電子學(xué)模塊DAQ-V215輸入端懸空RMS

<0.7fC@1pC

range輸入端接電容RMS=0.7fC+0.01fC/pF好于設(shè)計指標(biāo)（6fC）噪聲<1.7fC（Cin<100pF）一塊FEC的基線分布輸入端懸空，一塊FEC的噪聲水平（以單個Cell測量結(jié)果的RMS衡量）Noise=0.7fC+0.01fC/pFFEC測試：噪聲水平16FEC的輸入信號由信號發(fā)生器提供改變輸入脈沖的幅度，從而得到每路通道的輸入輸出曲線積分非線性：<2%（設(shè)計指標(biāo)：3.2%）FEC測試：積分非線性17FEC的輸入信號由信號發(fā)生器提供不同通道之間的增益相差較大，可以通過標(biāo)定進行修正標(biāo)定后的增益非均勻性：~0.7%（設(shè)計指標(biāo)：2%）RMS≈0.7%RMS≈4.5%FEC測試：增益非均勻性18Noise=0.7fC+0.001fC/pFINL<2%寬脈沖響應(yīng)寬脈沖面積測量誤差<0.7%MRC相關(guān)測試194塊FEC+1塊MRC+1塊DAQ實現(xiàn)1024路+8路通道的讀出所有通道均工作正常系統(tǒng)觸發(fā)率可達280Hz好于10Hz要求TPC電子學(xué)小系統(tǒng)聯(lián)試2023/7/2820與上海交大原型TPC聯(lián)調(diào)ENC=0.5fC（120fC量程）ENC=1fC(1pC量程)放射源：Am-241,1barArgon,Vmesh=360V,Vdrift=12KVFEC量程：120fCFWHM:16%@13.9KeVFWHM:18.6%@17.8KeVFWHM:14.5%@13.9KeVFWHM:19%@17.8KeVFWHM:17.6%FWHM:19.7%最新聯(lián)調(diào)結(jié)果（2018年10月）FEC噪聲指標(biāo)等關(guān)鍵性能滿足要求，進一步的聯(lián)測預(yù)計將于下月開展讀出方案研究2目錄項目背景1223原型電子學(xué)研制工程設(shè)計進展4工程設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)低放射性本底對元器件、原材料的嚴(yán)格控制合理的放射性屏蔽低噪聲合理的結(jié)構(gòu)電磁屏蔽和接地設(shè)計穩(wěn)定、可靠合理的電路設(shè)計采購、生產(chǎn)、測試過程中的質(zhì)量控制237/28/202324ItemChipNameQuantityRadio.Level(μBq/total)1Tacapacitor-10μF10034352Tacapacitor-47μF201358.23Tacapacitor-100μF2017736Ceramicsurface-mountedcapacitor-0.1μF4004813287Ceramicsurface-mountedcapacitor-0.01μF5005176358surface-mountedresistance-100Ω1%500173109surface-mountedresistance-4.7kΩ1%10013651074441-0010111224.941174737-000211211.6912MTBS1334L1CNN

1138916.714XC7A200T-FBG484I-2L1165580.515LT1585ACT43891.4816LT1764AEQ-3.334113.6317PTN0405AAD15953218NUP4114UPXV664865.9219BAV199LT1G256929.2820AD8605ART-REEL6827.7628152508026010004416785.6829151508026010004328955.0430PCB(~0.3kg)18343653.11531AGET453720sum

1.055E+07(任選其一)

FEC主要元器件的放射性測試結(jié)果整塊FEC板放射性約10Bq（預(yù)期目標(biāo)為1Bq量級）PCB板的貢獻～80%信號連接器貢獻接近10%陶瓷表貼電容貢獻~10％采購了多個廠家多種牌號的PCB基材，進行了放射性測試，無顯著區(qū)別26PCB工廠實地調(diào)研/技術(shù)協(xié)調(diào)時間：2018年8月16日地點：廣州（興森快捷）經(jīng)實地調(diào)研，認(rèn)為普通PCB板的放射性不可控普通PCB中大量采用了玻璃纖維、固化劑，來自礦物原料，應(yīng)是放射性最根本的來源提出的解決方案：采用柔性板工藝，8層粘接形成硬板柔性板基材為聚酰亞胺，成分簡單制作過程中無固化劑27PCB工藝改進前后的放射性對比普通FR4基材8層PCB板（228mm*157mm*1.6mm，170g）柔性基材8層PCB板（228mm*157mm*0.9mm，110g）本底:19mHz扣除本底后：330mHz利用現(xiàn)有8層板數(shù)據(jù)文件，投板6塊，加工成功2塊1塊用于放射性測試，1塊用于焊接調(diào)試測試時間：2018年10月13-15日測試地點：錦屏地下實驗室伽馬檢測站與本底相當(dāng)，幾乎可忽略初步結(jié)果表明：采用柔性基板后，PCB放射性極大降低，達到了使用要求！初步結(jié)果表明：PCB的可靠性滿足要求，可基于該工藝啟動工程板設(shè)計！28PCB可焊性（力學(xué)穩(wěn)定性）的驗證焊接完成之后，經(jīng)實驗室測試，該電路模塊功能、性能正常經(jīng)過回流爐焊接（及手工焊接）之后，PCB板未發(fā)生顯著的翹曲說明PCB基材雖然較軟，但多層粘接之后剛度足夠，焊接可靠性不存在原則性問題電路板在操作過程中（如連接器插拔）如操作不當(dāng)，可發(fā)生肉眼可見的暫時性彎曲措施：結(jié)構(gòu)加固（采用低放射性高純無氧銅）、操作細(xì)致規(guī)范ConnectorPinNumTypeOrientationContactMaterial+HousingMaterial15150802601000(Harting)2×40SMTHorizontalCopperalloy+LCPM55-7108042R(HarWin)2×40PhoshorBroze+LCPFX2CA1-80P-1.27DS(HiroseConnector)2×40PhoshorBroze+Polyamide71661-2511(Molex)2×50ThroughHoleCopperalloy+ThermoplasticFCN-235J096-G/0(Fujitsu)2×40Copperalloy+Polyester5917631-3(TEconnectivity)2×40VerticalCopperalloy+Polyamide連接器的選型（放射性篩選）有待進一步的放射性測試！CapacitorTypeManufacturerMaterialCapacitanceRangePackageRatedVoltageX5RCM05KYOCERACeramic0.1μFto22μF04024~25VGRJSeriesMurataCeramic1nFto0.1μF0603100VMCSeriesCornellDubilierMica≤1nF0805100V52SeriesJAHREMica≤2.2nF0805100V陶瓷電容:1nF、10nF、0.1μF、1μF鉭電容:10μF、100μF表貼電容的選型（放射性篩選）有待進一步的調(diào)研和放射性測試FECPCB板設(shè)計采用低放射性的柔性基材減少層數(shù)：由14層減為8層元器件選型和使用對電容、連接器進行放射性篩選盡量減少電容種類和數(shù)量合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計（FEC板的放射性屏蔽）可能的思路：將PCB分為前端（AGET）和后端兩部分，中間采用柔性連接前端與后端之間采用高純無氧銅作為屏蔽材料降低噪聲：合理的接地與電磁屏蔽保證可靠性：合理的防靜電（抗高壓打火）設(shè)計31工程設(shè)計的思路基于前期的方案研制成果，目前已確定FEC工程版的技術(shù)方案，正式的工程版PCB設(shè)計已經(jīng)啟動！PandaX-III讀出電子學(xué)方案階段的工作已經(jīng)完成確定了關(guān)鍵技術(shù)路線和設(shè)計方案研制完成了1024通道的讀