GEM探测器基线值获取和数据零压缩阈值的设定

吕新宇 祁辉荣 章红宇 赵豫斌 陈元柏 欧阳群赵平平 赵东旭 董丽媛,3 盛华义

1 (核探测与核电子学国家重点实验室，中国科学院高能物理研究所 北京 100049)

2 (中国科学院研究生院 北京 100049)

3 (兰州大学核科学与技术学院 兰州 730000)

GEM(gas electron multiplier)[1]是CERN开发的新型微结构气体探测器，空间分辨率好、耐辐照、读出部分安排灵活、有效面积大，除用于粒子物理实验[2]，如国际直线对撞机(ILC)探测器上径迹室和数字强子量能器的读出探测器，还可作为同步辐射X射线探测器[3]、散裂中子源位置灵敏探测器、医学生物学成像[4]及天体物理实验探测器[5]等。

针对北京同步辐射装置(BSRF)对二维探测器的实际需求，我们研发了能满足BSRF衍射和散射实验要求的基于GEM的二维X射线探测器。其采用三层GEM膜结构，从第三层GEM下表面取出信号作触发，读出部分采用PCB工艺的二维条读出，共有704个读出条，每条独立读出[6]。

探测器读出条的感应信号经电荷灵敏放大器放大后进入GQ插件里，经缓冲放大、CR-(RC)3滤波成形，由FADC在高速时钟(40 MHz)下对信号波形进行取样，数据暂存于数字流水线等待触发信号，一旦触发有效，FPGA在开辟的窗口内(门宽在程序界面可调，目前为64个时钟，即1.6 μs)从流水线中逐一取出数据进行寻峰(寻找最大值)，寻到的峰值与读出条感应电荷量成正比，从而得到感应电荷值，再作数据零压缩，进行数据打包、缓存、等待读出；待DAQ响应中断信号，通过VME总线用CBLT方式将数据读出，最后由网络交换机传输到数据获取计算机(图1)。

图1 GEM探测器读出电子学工作框图Fig.1 The schematic view of readout electronics.

鉴于同步辐射实验的需要，探测器在高计数率下工作，会产生大量数据，这就要求读出电路有快速的信号处理能力，且进一步提高DAQ系统的带宽利用率。

1 基线值获取方法

GEM 探测器每个电子学通道的基线值并不相同，且每道基线值均有涨落；实际测量中，基线测量值总伴随噪声，且每个通道的噪声水平亦不同。受噪声等各种因素的影响，实际基线值围绕期望值上下起伏，服从正态分布。将真实基线值表示为μ，服从正态分布N(μ, σ)，阈值设定为：

根据正态分布，这样因噪声引起的误记录可消除99.865%，又能使几乎所有信号被记录。实际根据不同的测量架构，测得的基线并非真实的基线值μ，实测基线设为μ'，一般μ≠μ'，故：

n根据实验测量而定。实验中我们分析了三种方法获取每个通道的基线值。

1.1 电荷分辨刻度模式获取基线

在电子学的电荷分辨率测量(Q_Res)模式下，由程序控制产生一确定的电荷量送到电荷灵敏前置放大器端，经放大器放大，进入GQ插件，再放大、滤波成形、ADC等一系列过程再读回这个信号，以刻度电子学系统。在这个模式下，若程序中设定送出信号幅度为 0，此时取得的值即为“基线值”，表示为hQ-Res(图2中黑色实线)。

图2 三种方法测量基线值结果Fig.2 Test result of 3 methods.

1.2 积分非线性测量模式下，拟合数据点测基线

在电子学积分非线性测量模式(Q_INL)下，由程序产生一系列不同幅度的信号送至电荷灵敏前置放大器端，再由取数系统读回，过程同§1.1，通过计算多个数据点的统计信息，得到电子学系统的积分非线性。在此模式下，测得多个数据点，直线拟合后所得截距值即系统的“基线值”，表示为hQ-INL(图2中虚线)。

1.3 在线取数模式，由噪声信号触发获取基线

探测器加电，但高压设置为0 V，此时探测器不工作，由于已经通电，噪声情况与工作时情况相同。此时将探测器设置在线取数模式，用噪声触发，取得每道电荷值。由于探测器无高压，故无增益，此时取得的数据是探测器系统的背景值。大统计量取数(N=10,000)，得到每道背景值的统计数据。由于电子学采用寻峰方式取数，时间窗口为 64个时钟，在取得的64个值中寻到最大值并记录下来。假设噪声服从正态分布，则问题简化为：一个正态分布总体，从中取样64次，取64个值的最大值，如此操作10,000次得到：Max1=MAX(a1, a2, a3…a64)，Max2=MAX(b1, b2, b3… b64)，Max3=MAX(c1, c2, c3… c64) …Max10000=MAX(n1, n2, n3… n64)，这些Maxi(i=1,2,3, …10,000)的分布可经计算得到：对于一个正态分布N(μ, σ)，按上述方法操作得到的max值服从参数为μ', σ'的正态分布N(μ', σ')，其中μ'≈ μ + 3σ, σ'=σ/n1/2。

用此法可得到每道的10,000个max的平均值，记作b，是真正的基线值加上了3倍标准偏差(由于基线跳动和噪声等因素综合引起的)，如图2灰色线所示。此法取得的基线稳定，引进的额外误差最少，实际应用中，零压缩的效果最好。由图2可知，电子学积分非线性测量模式取得的截距值各道波动最大，在高端与电荷分辨率测量模式测得的值一致。原因在于，在电荷分辨测量模式中，由程序控制产生的信号送至电荷灵敏前置放大器端的定值电容时，即使设定DAC值为0，在电荷灵敏前置放大器端的定值电容上仍存在一定电荷，故测到的值应在实际基线值之上；另一方面，由程序控制发给各道的信号幅度经 DAC后幅度并不相等，且各道的定值电容也并不相同，造成这种方法测得的各道基线值跳动较大。

积分非线性测量模式实验中，把由程序控制的DAC值与电荷灵敏前置放大器响应的误差全部归结到非线性测量的结果处(与“电荷分辨刻度模式”中的影响情况相同)。这种做法可给出电子学的非线性指标，只要非线性小于某值，就认为电子学非线性指标符合要求。但用此法取基线会带来误差，表现为电子学非线性的低端测量效应，即实际测量时的数据点在低端会有上扬。因为信号幅度小于噪声幅度时，电子学无法测到信号值。程序对不同DAC值采样50次作平均，得到该DAC值处的幅度值，再对不同幅度值作最小二乘法拟合，得到截距值，这样会引进拟合误差。此法引进多个因素的误差，造成误差偏大。若用此法取基线，结果将出现某些数据被误压缩，而另一些应压缩掉的数据则未被压缩(图3a )。

图3 无零压缩时(a)及用1.2方法作零压缩阈值时(b)单次击中事例读出条响应Fig.3 Single hit sample without zero-suppression(a)and with zero-suppression(b).

2 零压缩阈值的设定

在数据采集和传输应用中，为提高计数能力，对数据进行零压缩是普遍使用的方法，恰当的零压缩阈值可在一定程度上压缩掉噪声信号，提高数据利用率。为达到最大压缩数据量的目的，在不压缩掉小信号前提下，零压缩阈值越大，效果越好。此时还要考虑信号起伏因素即最小信号情况。以X方向读出条为例，要不压缩掉小信号，需nσ<10 fC。

综合上述两因素，实验得到零压缩阈值为hch=bch+σch时效果最好，此时hch=μch+4σch。单次事例零压缩效果如图4所示。得到的数据中几乎全部为有响应的读出条数据，而无相应的读出条数据全部被零压缩机制压缩掉，从而大大提高数据利用率。

图4 零压缩后的单次事例读出条响应情况Fig.4 Test result of firing strips with zero-suppression.

3 结语

基于同步辐射实验对探测器计数率的要求，对GEM探测器采取零压缩方法提高数据带宽利用率，通过理论分析给出三种基线获取方法。电子学积分非线性测量模式取得的截距值各道波动最大，从而造成这种方法测得的各道基线值跳动较大，结果出现某些地方数据被误压缩，而另一些地方应该压缩掉的数据反而未被压缩。结合实际测量对比研究，给出准确的零压缩阈值的设定方法。采用此方法，实现了良好的零压缩效果，数据有效率提高近 50倍，计数率由零压缩前的2 kHz增加至25 kHz。得益于统计量的大幅度增加，图像质量也明显提升。此方法对其它场合零压缩的设定，如采用波形重建方法获取基线也具有参考意义。

1 Sauli F. Gem: A new concept for electron amplification in gas detectors[J]. Nucl Instrum Methods Phys Res Sect A, 1997, 386(2–3): 531–534

2 Bencivenni G, Felici G, Murtas F, et al. A triple gem detector with pad readout for high rate charged particle triggering[J]. Nucl Instrum Methods Phys Res Sect A, 2002, 488(3): 493–502

3 Aulchenko V M, Baru S E, Evdokov O V, et al. Fast high resolution gaseous detectors for diffraction experiments and imaging at synchrotron radiation beam[J]. Nucl Instrum Methods Phys Res Sect A, 2010, 623(1): 600–602

4 Anulli F, Balla A, Bencivenni G, et al. A triple gem gamma camera for medical application[J]. Nucl Instrum Methods Phys Res Sect A, 2007, 572(1): 266–267

5 Andersson H, Andersson T, Heino J, et al. Gem detectors for x-ray astronomy[J]. Nucl Instrum Methods Phys Res Sect A, 2003, 513(1–2): 155–158

6 董 静, 吕新宇, 刘 贲, 等. 基于读出条读出的二维位置灵敏气体电子倍增器的研制[J]. 物理学报, 2010, 59(9): 6029–6035

DONG Jing, LU Xinyu, LIU Ben, et al. The study of the two-dimentional position sensitive gas electron multiplier based on strips readout[J]. Acta Phys Sinica, 2010, 59(9): 6029–6035