8．粒子探测器与快电子学技术课题组
（10名教师：孙向明、高超嵩、郭迪、裴骅、王东、汪虎林、王亚平、肖乐、杨萍、张冬亮）。
2020年度，粒子探测器与快电子学技术课题组主要研究进展简述如下：
1.NICA项目
“重离子超导同步加速器（NICA）上的关键技术合作研究”项目是中国和俄罗斯的战略性科技创新合作项目。硅像素实验室承担了“基于硅像素的内径迹探测器合作研制”课题的研究。拟研制的 MPD/IT 顶点探测器计划由 5 层构成，其中内三层需研制新型大尺寸超低物质量超低功耗高速硅像素芯片。外两层则采用 ALPIDE 硅像素芯片研制探测器。此外，项目还包括读出电子学的研发来实现硅像素芯片的高速数据流读出。
2020年进展如下：
（1）举行了“基于硅像素的内径迹探测器合作研制”课题启动会。
（2）举行了3次中俄双方MPD/IT全体工作组讨论会,落实了关键技术方案和实施细节等。（3）完成了大尺寸超低功耗高速硅像素芯片整体方案设计；展开了像素芯片第一次流片相关电路模块的设计；展开了像素传感器灵敏单元相关的结构仿真和灵敏单元测试电路设计。展开了晶元剪薄和弯曲技术的研究。
（4）完成了读出电子学“读出模块”和“电源模块”的资料调研、设计参数及接口确认和整体结构设计，以及关键功能模块的划分，启动关键元器件的选型。
（5）数据接收与传输芯片方面（NICA_ROC）：进行芯片整体结构的设计，以及关键功能模块的划分，启动核心模块方案设计。
（6）数据接口芯片方面（NICA_GBTx）：完成该芯片内锁相环电路, 串并转换电路子模块设计并流片；初步完成时钟恢复模块、并串转换模块设计。
（7）完成物理仿真所需的软硬件环境搭建；开展NICA-MPD相关物理的调研工作，初步完成ITS探测器的性能研究报告；模拟人员在MPDroot中找到了ITS的原始几何构型文件，并可以成功运行程序，产生模拟事件在ITS中的击中信号，下一步需要对模拟产生的数据进行分析，重构目标粒子。
2.CEE束流定位探测器项目
低温高密核物质测量谱仪(CSR External-target Experiment，简称CEE) 将是我国第一台运行于GeV能区的、自主研制的、基于国内核物理大科学装置HIRFL-CSR的大型核物理实验装置。硅像素实验室承担了束流定位探测器的研制。2020年度进展如下：完成了探测器机械结构设计与模拟：机械结构由场笼、阴极板、网、丝、像素芯片和读出板组成，模拟了电荷收集效率和信号宽度，信号宽度小于100ns；完成了像素芯片原型设计：确定了芯片所需工艺为GSMC RF 130nm，与代工厂签署了NDA 协议，掌握了该工艺的设计流程和规则，像素芯片原型由1列256行像素前端和优先级逻辑电路组成，测量能量、到达时间信息和位置信息。完成了后端读出方案设计，确定了慢控参数，订购了高速电缆和接插件，设计了电缆测试板，完成了径迹寻找算法验证，完成了serializer测试板设计和测试。发表了1篇SCI论文。
3.CEE 零度角量能器项目
CEE 项目是国家自然科学基金委在2019年批准的重大仪器专项，目的是在兰州重离子加速器的冷却储存环（CSR）上搭建外靶探测器，并作为大科学装置平台，针对非对称核物质在高重子密度区的演化展开研究，尤其是碰撞系统的非对称性以及产生的各阶流。作为CEE项目的一个子系统，零度角量能器的任务是在向前快度区进行重离子碰撞的中心度和事件反应平面的测量，提供核-核碰撞事件性质的重要信息。在2020年的主要进展包括以下几方面：1）通过结合核-核碰撞的完整事件模拟例如IQMD模型，以及借鉴国内外现有的其它大科学装置经验，确定了零度角量能器的几何构型。
2）进行了原理样机的研发，通过对比不同技术在宇宙射线和放射源测试，并结合更高的束流能量下模拟结果，决定采用塑料闪烁体与光电倍增管构成模块单元。目前具有初步物理测量能力的下一版本的原理样机正在制造进程中。
3）进行了探测器电子学的研发，目前已经制造出原理样机，可在40MHz的系统时钟（CEE项目标准）下进行16通道数据采样，能够满足 CEE 外靶实验预期束流强度下的20kHz触发要求。
4.CEPC顶点探测器像素芯片研制项目
硅探测器的主要研究内容为设计高分辨率、快速读出、低功耗CMOS像素芯片。基于指标要求，我们选择国际上主流的单片型CMOS像素传感器技术，在TowerJazz CIS 0.18µm四阱、高阻工艺上开展研发。本年度课题承担单位高能物理所和华中师范大学，联合山东大学和大连民族大学部分人员，组成一个设计团队，在优化分辨率前提下，完成了全功能、大阵列芯片JadePix3的设计，于2019年底提交TowerJazz流片，2020年6月芯片回来开始测试。JadePix-3结合了前期芯片MIC4的前端电子学设计和JadePix-2的阵列读出方式，并做了进一步优化：像素内集成一个DFF触发器用于信号锁存和逐行读出，数据通过阵列底端的数据压缩模块后以400MHz的速率顺序读出。包含4种不同的像素内设计, 信号处理速度200纳秒/行。新的小面积（高分辨）、低噪声、低功耗像素前端和列级优先级地址编码、数据压缩阵列数据读出电路是本设计的特色。整个芯片面积10.4mm×6.1mm，像素尺寸相对前期设计减小到16µm×23.1µm和16µm×26µm，阵列规模已经接近CEPC实用的水平。
JadePix-3预期性能将全部达到本项目芯片最终指标，目前正在开展测试系统，其电学测试结果符合预期，准备进行束流实验以准确验证空间分辨率等指标。
5.Topmetal-S芯片测试
Topmetal-S是硅像素实验室为NνDEx无中微子双贝塔实验研制的一款用于信号读出阵列的芯片。该芯片具有无放大电荷信号探测能力和低噪声，是NνDEx实现预期高能量分辨率和本底去除能力的关键器件。2020年，我们在2019年测试的基础上基本完成了第一版Topmetal-S芯片的测试。针对2019年测试中观察到的α射线电离出的电子数少的问题，我们对α源、实验气腔、高压系统、气体系统进行了逐一排查并排除。最后通过对芯片上Guard-ring电容的测量发现该电容实际值与仿真软件提供的值存在近16-20倍的偏差，可以很好的解释测得电子数少的结果。这说明芯片目前的能量分辨率还没有达到设计值。经过分析，我们发现原因在于芯片的部分偏置电压受到了输出的影响，没有工作在设计的工作点上，导致内部电荷灵敏放大器无法实现设计的放大倍数。目前新一版的芯片正在设计中。通过对各个偏置电路进行屏蔽，避免相互干扰，这个问题将得到解决。Topmetal-S芯片的测试进展在10月份兰州近代物理研究所举办的第二届NνDEx实验研讨会上进行了报告。
6.Topmetal-M芯片研发
TopmetalM是基于国产华虹宏力（GSMC）130nm CMOS工艺研制的一款大面积阵列式低噪声像素探测器芯片，具备高性能的位置、能量以及时间分辨能力。TopmetalM首次提出以Topmetal+MAPS相结合的电荷收集方式，可有效提升探测面积，并可以根据需要选择其中一种或两种电荷收集方式，大大提升了芯片的可适用范围，在粒子探测和成像领域应用前景广泛。2020年主要进展如下：完成芯片扫描模块测试、单个像素ENC测试、单个像素的TAC时间分辨测试以及像素阵列的一致性测试；完成α源及X射线源测试；到兰州近物所进行束流定位测试。针对测试中出现的噪声大、TAC输出影响CSA输出、CSA复位延时等问题，已进行原理图和版图的修改，第二版芯片即将流片。
7.高速数据传输系列芯片
在高速数据传输系列芯片研发方向上，2020年进展主要分为两个方向。一个是与该方向相关的“抗辐射高速光纤数据传输模块与激光器驱动芯片”面上项目进入实施第三年，在本年度内完成了4 x 14Gbps激光器驱动芯片的设计并流片，同时定制化光模块的原型样品也在本年度内完成设计。另一个方向为承担NICA项目中3款相关芯片(NICA_GBT, NICA_LD和NICA_TIA)的设计任务。其中NICA_GBT芯片位于NICA_ROC芯片之后，是一个通用的双向数据接口芯片，其将接收来自NICA_ROC的多通道数据，完成数据扰码、编码、组帧及串并转换后，交由其后的NICA_LD激光器驱动芯片，转化为上行(uplink)的高速数据流；同时NICA_GBT也将接收来自NICA_TIA的下行(downlink)高速串行数据流，完成串并转换、解码等功能，将来自后端的控制、时钟、Trigger等信号解码分发至前端。本年度内，对NICA_GBT芯片的具体功能及指标进行了初步分解，主要包括面向前端(NICA_ROC)的双向Tx/Rx接口D-Link、编解码模块Encode/Decode、高速并串/串并转换模块、时钟模块PLL、时钟恢复模块CDR等。同时对NICA_GBT芯片的组帧格式、编解码方式进行了初步了解。根据项目进展规划，2020年度内对其中的高速串并转换16:1 Deserializer模块、PLL时钟模块完成设计并流片，该项计划已在2020年内顺利完成。
8.像素芯片脉冲信号处理方法研究
为了得到量能器中信号的幅度和时间信息，通常的做法是使用CR-RCn整型电路进行脉冲成形，通过测量成形后脉冲最大值的幅值和时间，可以推断量能器中原始信号的相关信息。但是，由于高能物理探测器的特殊性（长期漂移、短时改变以及随机噪声），非理想条件下的传统方法曲线拟合难以获得最优的效果。为了面对这一困难，我们提出采用深度神经网络进行回归，获取成形脉冲的信息。实验表明，该方法能够很好地克服以上三种影响，提高信息提取的准确性。同时能够更好的在高能物理中应用深度学习的方法，我们设计了专用深度学习芯片，首次将深度学习加速器ASIC用于高能物理的应用场景中。该项研究成果已发表于P. Ai et al, 2019 JINST 14 P03002，P. Ai et al, NIMA 978 (2020) 164420，在脉冲信号的软硬件处理上提出了新的方法。
9.ALICE/ITS2和MPD/ITS组装与测试
课题组于2019年7月份完成450个ALICE/ITS2外层混合集成电路模块（OB-HIC）的组装与测试任务，正式生产期间的良品率达81%。随着，课题组安排1名研究生从2019年8月至今，参与ITS2探测器的数据质量控制方面的工作。数据质量控制（Data Quality Control, QC）的目标是在数据采集的各个过程中，快速的检查数据的质量，并给出反馈。QC可以最直观、快速的检查探测器的运行状态以及数据的采集情况，同时当探测器发生故障时也能最快的为相关专家提供信息。这对于探测器的维护、径迹的重建以及后续的数据分析都极其重要。ITS2的QC通过对假击中率（Fake-Hit Rate，FHR）、平均阈值（Threshold Scan，THS）、前端电子学（Front-End Electronic，FEE）、簇团（Cluster）以及径迹（Track）的监测，给出探测器被击中、阈值和读出电子学等探测器运行状态信息。其中假击中率是由本课题负责开发和维护。
课题组于2020年6月份启动了NICA MPD/ITS硅像素探测器研制项目。鉴于物理测量目标，确定了NICA MPD/ITS项目外两层探测器混合集成电路（HIC）模块和探测器Stave模块的结构与设计将采用ALICE ITS升级项目中HIC和Stave模块的组装与测试方案（如下图所示），技术文档已整理。HIC模块的集成与测试要求在低湿度的千级洁净间完成，而Stave集成与测试将在万级洁净度的超净间完成。
项目年度进展主要包括三个部分：
1. 讨论并明确中俄双方在NICA/MPD ITS硅探测器研制项目中的任务及目标：2020年9月25日，双方的项目主要负责人参会，就硅像素芯片研制、读出电子学开发、外两层硅像素探测器集成与测试等方面的任务和组织结构展开了深入的讨论: https://indico.jinr.ru/event/1561/。讨论确定了武汉华中师范大学和兰州近代物理研究所作为2个硅像素探测器研制与生产点，参与外两层硅像素探测器集成与测试方面的任务。
2. 外两层硅像素探测器集成与测试平台的搭建准备：
（1）武汉点落实了三坐标测量机（CMM）、测量显微镜、剥离强度测试机等关键设备的参数配置和询价；
（2）集成与测试方面的技术文档整理，已上线合作组内共享: https://disk.jinr.ru/index.php/s/NiMTFBMCwDE8c4p
3. 落实探测器集成与测试的技术方案等：
（1）分别于2020年10月16日(https://indico.jinr.ru/event/1637/，会议纪要见页面)、2020年10月30日(https://indico.jinr.ru/event/1663/，会议纪要见页面)和2020年11月25日(https://indico.jinr.ru/event/1709/，会议纪要见页面)与俄罗斯JINR合作方举行了讨论会；
（2）确定了硅像素探测器集成与测试任务的中俄双方实验设施、原材料、技术人员等方面的现状和计划，已上线合作组内共享: https://disk.jinr.ru/index.php/s/QApFPHxDsWK2Hgz；（3）讨论了集成与测试技术方案、原材料运输等细节问题。其中第一批240片dummy ALPIDE芯片和15片dummy FPC已运抵本实验室，用于机器调试和技术人员培训。
2020年度课题组发表论文7篇，国际会议（网络）报告2次，毕业硕士研究生4人，在研国家级基金项目11项。
高水平论文列表：
1.Biao ZHANG, Li-ang ZHANG, Wenjing DENG, Jun LIU, Wenjing ZHANG, Donghai LIU, Yalei TAN, Yaping WANG*, Xiangming SUN, Zhongbao YIN, Daicui ZHOU, Guangming HUANG, Nu XU. Inner Tracking System Upgrade for the ALICE Experiment. Nuclear Physics Review, 2020, 37(3): 734-741.
2.Chaosong Gao,∗ , Mangmang An , Jun Liu , Guangming Huang , Xiangming Sun; A low-power small-area 6T SRAM cell for tracking detector applications, Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A 980 (2020) 164434
3.P. Ai et al, 2019 JINST 14 P03002
4.P. Ai et al, NIMA 978 (2020) 164420
