动态阈值TOT核脉冲幅度数字化新方法的进一步研究

Utilizing the time-varying dynamic threshold to linearly transfer the peak amplitude of nuclear pulses into the time-over-dynamic-threshold (TODT), TODT method could realize the nuclear pulse digitization with high performance by measuring the time width. This new method proposed by the applicant and funded by NSFC has now been accomplished with significant results. Based on the work, this project proposes extending the study to other aspects of the nuclear signal data acquisition with the TODT basic idea, which includes the new methods and practical circuits for realizing baseline restoration, pile-up rejection, high resolution timing, and building a prototype to evaluate them by experiments. The target of the project is able to combine all these new methods with the TODT digitizing method together to form a complete new solution for data acquisition （DAQ）based on dynamic threshold and time readout technique without obviously adding the complexity of implementation. This project will promote the advantage of high degree integration of the TODT method, make it possible to build multiple-channel parallel readout and DAQ systems using commercial available circuit components, and lay the foundation for ASIC design to specific applications. This project is not only significant in methodology, but also demanded by the DAQ design of high-channel-count systems for large-scale particle physics experiments, radiation imaging and homeland security monitoring systems.

TODT方法使用随时间变化的动态阈值将核脉冲幅度线性地转化为过阈时间宽度，通过时间测量实现高精度核脉冲幅度的数字化。这一新方法由申请者提出，并得到了国家基金资助，现已结题，并取得了重要研究成果。本课题在此基础上提出进一步开展基于TODT思路的核信号获取其它相关方面的深入研究，内容包括信号基线恢复、堆积判弃，和高精度定时的实现方法和实现电路研究，设计原理样机并建立性能评估实验装置。项目目标是在不显著增加电路复杂度的前提下，将上述各方面的实现与幅度数字化有机结合起来，形成完善的基于动态阈值和时间读出技术的核信号获取新方法；继续发挥TODT方法高集成度的优势，能够用FPGA和分离器件实现多通道信号的并行读出和数据获取系统，并为应用领域的专用ASIC设计奠定基础。本课题不仅具有方法学上的研究意义，也是大型粒子物理实验、核辐射成像，以及国土安全监测等方面设计大通道数并行读出和数据获取系统的迫切需要。

TODT方法使用随时间变化的动态阈值将核脉冲幅度线性地转化为过阈时间宽度，通过时间测量实现高精度核脉冲幅度的数字化。TODT是时间读出驱动核电子学的新方法，具有测量精度高和集成度高的优势，对粒子物理图像探测器的信号读出有重要应用价值。本课题进一步开展基于TODT思路的核信号读出的方法和技术研究，主要研究内容包括：（1）研究了基于FPGA的时间数字变换器TDC技术，有多项技术突破，将国际上基于FPGA技术的TDC设计水平提高了一个层次；（2）系统化地研究了时间读出驱动的信号读出新方法和技术，包括TODT方法、快速线性放电法、多阈值过阈时间法以及TOLT方法，初步奠定了课题组在该领域的领先地位；（3）研究设计了基于SiPM的PET探测器数据获取系统，用实验装置测试和验证所研究技术的可行性和性能指标；（4）研究了多阈值前沿定时技术及其在STCF装置FTOF探测器中的应用，取得了和超高速示波器波形采样技术相当的时间测量性能，开启了超高精度TOF探测器的应用研究；（5）开展了前端ASIC设计技术研究，为下一步基于时间读出驱动的数据获取系统的集成设计打下基础。到目前为止的研究成果：在该领域的顶尖学术期刊发表学术论文11篇，在相关国际会议上发表学术论文13篇，分别获得4项国家发明专利，1项美国发明专利，和1项日本发明专利授权，培养博士生2名。本课题的研究成果将时间读出驱动核电子学向前推动了一大步，对高精度高集成度的探测器信号读出具有重要意义。