CMS-GEM探测器电子学板测试工具的研制.pdf

第卷第期年月核电子学与探测技术 探测器电子学板测试工具的研制梁子寒，薛志华，王珂，王大勇，班勇（北京大学物理学院，北京）摘要：针对探测器前端电子学板（）的研制和生产中质量控制的需求，研发了新的自动化测试工具，对电子学板进行连通性和误码率测试。应用基于的片上系统，提高了测试效率和可靠性，并可自动存储测试结果。该套测试设备已应用在的研制和批量生产质量控制工作中，检验合格的已经运往进行探测器的组装。关键词：气体电子倍增器；质量控制；自动化测试中图分类号：文献标志码：文章编 号：（）年，运行在欧洲核子中心（）大型强子对撞机（）上的 和实验共同宣布发现了质量的希格斯玻色子，粒子物理标准模型得到了进一步验证，人类对物理规律的探索步人了新的阶段。为了希格斯玻色子的性质进行更深入的研究以及探索超出标准模型的新物理，将进行升级，最高瞬时亮度将提升为现在的倍。（）实验也需要对探测器进行升级以适应高 亮度环境下的运行取数。北京大学髙能组承担了缪子探测系统升级中部分气体电子倍增器（）的升级任务，进行探测器前端电子学板（）的研发、批量生产和测试。本文为的测试专门开发了一套基于与片上系统的测试工具。探测器电子学板探测器将探测质子质子对撞产生的收稿日期基金项目：国家自然科学基金（）资助。作者简介：梁子寒（），男，山东邹平人，在读硕士研究生，攻读方向为高能物理实验研究。缪子及其他各种粒子，其结构如图所示。升级后，端盖内圈 区域的探测器事例数比其他区域髙得多，带电粒子的飞行方向受磁场偏转小。因此在这一区域采用了计数率高、位置分辨与 时间分辨好的气体电子倍增器技术进行探测器升级。图中标识了北京大学承担的端部内圈第一站（）、第二站（）和前向最内圈（）三组探测器的安装位置。是一种微结构气体探测器，其核心组件膜由在两面附着了铜箔的柔性绝缘材料膜上制作密集的微孔而成。在膜的两面加上几百伏的电压时，微孔中会产生极强的电场，电离电子经过这些微孔时会发生雪崩放大。升级中使用的探测器由三层膜组成，其气体室结构如图所示，电离电子经过三层膜雪崩放大产生的电子团在读出条上感应出脉冲信号。探测器模块的结构如图所示，读出条收集了感应信号之后，由读出模块（）进行收集、放大与鹿别，再将结果经过传输到光电转换模块（），通过光纤发送给后端电子学。北京大学负责设计、批量生产和 测试了部分升级中的。前置簇射设计器极前向量能器超导螺线管硅径迹探测器像索探测器缪子探测器强子萤能器电磁量能器图探测器示意图在的研发和批量生产过程中，需要对的自动测试工具，将可以验证所研制的板 的性能进行电源测试，机械结构测试和连高速信号传输性能，并在批量生产中进行通性测试。本文设计了基于和片上系统质量控制测试。漂移电极膜膜膜读出电子板读出条宽读出条间距叫 图三层气体室结构及探测原理示意图图探测器结构分解图测试工具设计硬件设计连通性测试工具需要根据上位机的指令对多路电路进行检测，误码率测试工具需要对差分信号线路进行误码率测试，它们都需要将结果返回给上位机。综合考虑这些需求，测试工具在硬件上选择了的系列，配合串口通信芯片以及其他辅助器件。如图所示，测试板通过排线和转接板与待测板的接头和接头连接。设计如图所示。测试板使用层电路板，主要包括供电模块、芯片及辅助模块、测试线路模块、串口通信模块、编程模块和按键控制模块。其中测试线路模块使用了额外的保护电阻和下拉电路以保证芯片的安全和测试结果的准确性。供电和串口通信功能使用同一个接头，通过数据线连接作为上位机的计算机。误码率测试板使用同样的板，但焊接的元件有所不同：保护电阻以电阻代替；不焊接下拉电阻；不使用排线连接器，而是直接将双绞线焊接到对应的孔位上，另一端用杜邦 线接头，通过转 接器与的端和端相连接。图测试板的设计图程序设计连通性测试工具程序设计使用软件包，创建了软核，并添加一些核用于控制资源。核用于处理与串口通信芯片间的数据传输；核具有三态门功能，用于控制的引脚进行数字信号传输。在设计中使用了两个核，分别控制测试信号的输出与输人。在约束文件中对外部端口与引脚的对应关系进行相应的绑定。添加完核后，在软件中使用语言进行编程。程序主要功能是：在接收到 测试指令时，通过软核控制引脚，将输出核的待测线路端口设为输出态，其他端口设置为髙 阻态，并将输人核的所有端口设置为输人态，然后将输出核的待测线路端口设为输出髙电平，等待一定时间后读取输人核的所有端口的 电平信息，将电平信息以字符串形式通过核发送到上位机，并继续检查核收到的消息。程序流程图如图所。图片上系统程序流程图基于该测试板还 开发了误码率测试功能，使用了语言，用软件对进行编程：编 写了用生成伪随机数序列的模块；调用核将时钟分割为；调 用核将生成的伪随机信号以差分信号发送到，并从另一端接收；编写伪随机数检验模块对接收的信号进行检验，判断是否产生误码；编写结果统计及串口通信模块，每秒向上位机反馈一次误码数量上位机程序设计利用程序在作为上位机的计算机端编程，构建了一套测试程序端口，包括连通性测试程序、误码率测试程序和报告生成程序。如图所示，连通性测试程序可以向测试板发送测试命令并接收测试结果，同时在窗口中以不同 的颜色显示测试结果，并记录原始数据。误码率测试程序可以记录测试开始和结束的时间，以及测试过程中出现的误码总数，根据时间与误码数可以推算出误码率上限。报告生成程序可以根据连通性测试的记录，结合手动输人的其他测试结果生成测试报告。测试报告将显示每个测试步骤是直接通过测试，还是在维修后通过测试。测试报告将最终整合到探测器升级数据库中。测试中的应用自动化测试工具已应用于研发中。应用误码率测试工具测量了样机的误码率，得出误码率小于（。还与高速示波器相结合，测量了其眼图，验证了其髙速通信性能。测量的眼图如图所示。连通性测试工具应用于年月的块的批量生产质量控制测试。电源电路及连通性测试结果总结在表中，其中数字意义为“发现故障数总数”。经测试在的信号线路中发现了连通性故障，最终都经过修复后测试合格，测试结果也自动存人文件并录入数据库中。年月这批完成了生产测试并运往，用于探测器的组装。新的自动化测试工具运行可靠，测试效率高，顺利完成了测试流程。图连通性测试程序窗口图用误码率测试工具与示波器结合测量的样机的眼图表生产测试结果统计型号电源电路测试地址编号检测信号连通性测试修理后通过的数量总数合计 结论本文研制的测试工具可以检验的高速信号传输性能，并在批量生产中进行质量控制自动化测试。实际应用表明该连通性测试工具测试效率高、准确性高且能生成数字文档记录，将来也可以通过不同 的适配接头应用于其他电子学板。误码率测试工具在新型号的设计验证中起到了重要作用。该套测试工具为完成北京大学所承担的探测器升级任务提供了重要保证。参考文献：，（）：，（）：，（）：，：？，（）：王珂，薛志华，王大勇，等应用于气体电子倍增器的电子学板研制原子能科学 技术，（）：，（，）：（），：；