CEPC闪烁体成像型电磁量能器原型机读出电子学方案研究

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希格斯粒子是标准模型中最后一个被发现的基本粒子,标志着标准模型的成功,解释了基本粒子的质量来源。对希格斯粒子的性质的精确测量有着非常重要的科学意义。轻子对撞作为一种具有干净背景的希格斯粒子生产方式,是具有竞争力的希格斯粒子研究方式。国际上目前还没有任何一个专用于希格斯粒子研究的轻子对撞机,领域出现窗口期。在这个背景下,中国高能物理学界提出了环形正负电子对撞机(下称CEPC)方案,在国内建造一台“希格斯粒子工厂”用于产生大量的希格斯粒子,对其性质进一步研究。CEPC采用粒子流算法重建事例能量,通过区分喷注内各种成分联合径迹探测器以获得更高的喷注能量分辨率。对于实现粒子流算法,细颗粒度的成像型量能器是必不可少的。对于电磁量能器来说,闪烁体方案具有成本较低的优势,而目前国际上只有CALICE合作组对该方案搭建了原理原型机,验证了原理的可行性,但未对细颗粒度下的电磁量能器读出电子学如何实现进行研究。本文针对闪烁体成像型电磁量能器方案的原型机,设计了基于SPIROC芯片的集成化读出电子学系统。该系统支持6300路SiPM的读出,并且具有电子学自检,增益监测,温度补偿等功能。前端部分采用模块化设计,由30个前端读出模块构成。每个模块完成210路SiPM探测单元信号的放大、成形滤波和数字化。模块内部高度集成,探测器与电子学结合紧密,实现了平均1通道/2cm3的高密度读出。后端部分基于FELIX架构,由数据获取板(DAQ)和FELIX节点构成,具有时钟同步分发,状态握手与数据传输的功能。上行数据通道和下行数据通道皆最高可达9.6Gbps的数据传输率。本文在实现了电子学系统后进行了电子学测试、放射源测试与宇宙线联调测试。测试表明电子学系统正常运行,电子学等效电荷噪声小于90fC,动态范围约300pC,积分非线性不超过1.6%,修正后增益不一致性相对标准差约为1%。单通道时间测量精度约为2.5ns,积分非线性小于0.2%,线性系数不一致性不超过2%。系统整体时间测量精度约为7ns。在原型机框架下,选取了 30层前端读出模块中的10层进行宇宙线测试,测得MIP信号的信噪比可达20以上,并成功重现宇宙线径迹。温度补偿系统工作正常,修正后可在环境温度变化4℃的情况下,将SiPM增益不确定性控制在5.5%以内。本工作设计了应用于细颗粒度闪烁体电磁量能器的读出电子学方案并结合原型机验证了其可行性,为CEPC的闪烁体电磁量能器读出方案提供了技术参考。
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