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Micromegas探测器作为新型的微结构气体探测器，具有较高的位置分辨率和能量分辨率，在高能物理领域得到广泛应用。在ATLAS、COMPASS、T2K等多个国际重大加速器实验中，Micromegas探测器作为径迹探测器或顶点探测器使用，得到较多的重要物理实验结果。近年来，CEPC、STCF等几个重大加速器项目在国内展开建设，其中的径迹探测器多数选用Micromegas探测器，同时越来越多的高能物理实验室开展了对Micromegas探测器的研究。本文研究的探测器是充当径迹探测器的Tracker-Micromegas(TMM)探测器。其可用于恢复粒子的击中位置，进而确定粒子的入射轨迹。利用电荷质心法和μTPC法相结合的击中位置恢复方法实现对大范围入射角的位置恢复。
针对TMM探测器的特点和应用需求，本文提出探测器读出电子学系统设计方案。该系统主要包括两个模块:256路前端读出板和8路数据采集与控制板。前端读出板采用高集成度的VMM3芯片作为前端信号采集芯片，实现256路前端信号采集与信号模数转换处理。数据采集与控制板负责对8块前端板进行数据采集、时钟分发、控制命令分发等操作，实现采集系统的通道扩展。本系统不仅具备电荷测量功能，还可实现高分辨时间测量。结合前端板VMM3芯片时间测量信息具有粗细时间戳的特点，在数据采集与控制板中开发TDC模块对触发信号进行粗细时间戳测量，利用同步时钟管理实现高分辨时间测量。
前端读出系统的电子学测试与调试在自行设计搭建的电子学测试平台上完成。测试项目包括VMM3芯片测试、前端通道注入测试、噪声测试、增益测试、电荷分辨测试、时间分辨测试以及整个系统的读出链路测试。电子学测试结果证明前端读出系统成功搭建并满足设计指标，前端电子学噪声水平小于0.5fC，时间测量的分辨率小于1ns。为进一步验证系统的可靠性，前端读出系统还进行了与Micromegas探测器的联调实验，包括铁源实验和束流实验。实验结果表明本读出系统可以实现与Micromegas探测器的对接，完成对粒子的击中位置恢复，能谱测量以及对探测器的效率和分辨率等参数进行测试的工作。
本文的主要的创新点:
(1)首次利用VMM3芯片开展同时具备高精度电荷测量和时间测量功能的Micromegas探测器读出系统的研究。利用粒子的电荷和时间信息，可针对粒子入射角度的不同分别采用电荷质心法或μTPC法进行位置恢复，提高Micromegas探测器位置重建的分辨率和径迹角范围。
(2)针对VMM3芯片的特点，开发了高精度漂移时间测量系统。利用前端板VMM3芯片时间测量信息具备的时间戳特点，在数据采集与控制板中开发TDC模块对触发信号进行时间戳测量，经过同步时钟管理两个时间戳实现高精度长间隔时间测量。通过对触发时间的精确测量以及将两种时间戳同步结合的方法，可实现高精度的漂移时间测量，为TMM探测器μTPC法位置恢复提供精确的漂移时间，大大提高大角度入射粒子的位置分辨。
(3)设计完成了通道数达256路，且通道数可扩展的探测器测试系统，可实现对高密度和多层Micromegas探测器的测试。
针对TMM探测器的特点和应用需求，本文提出探测器读出电子学系统设计方案。该系统主要包括两个模块:256路前端读出板和8路数据采集与控制板。前端读出板采用高集成度的VMM3芯片作为前端信号采集芯片，实现256路前端信号采集与信号模数转换处理。数据采集与控制板负责对8块前端板进行数据采集、时钟分发、控制命令分发等操作，实现采集系统的通道扩展。本系统不仅具备电荷测量功能，还可实现高分辨时间测量。结合前端板VMM3芯片时间测量信息具有粗细时间戳的特点，在数据采集与控制板中开发TDC模块对触发信号进行粗细时间戳测量，利用同步时钟管理实现高分辨时间测量。
前端读出系统的电子学测试与调试在自行设计搭建的电子学测试平台上完成。测试项目包括VMM3芯片测试、前端通道注入测试、噪声测试、增益测试、电荷分辨测试、时间分辨测试以及整个系统的读出链路测试。电子学测试结果证明前端读出系统成功搭建并满足设计指标，前端电子学噪声水平小于0.5fC，时间测量的分辨率小于1ns。为进一步验证系统的可靠性，前端读出系统还进行了与Micromegas探测器的联调实验，包括铁源实验和束流实验。实验结果表明本读出系统可以实现与Micromegas探测器的对接，完成对粒子的击中位置恢复，能谱测量以及对探测器的效率和分辨率等参数进行测试的工作。
本文的主要的创新点:
(1)首次利用VMM3芯片开展同时具备高精度电荷测量和时间测量功能的Micromegas探测器读出系统的研究。利用粒子的电荷和时间信息，可针对粒子入射角度的不同分别采用电荷质心法或μTPC法进行位置恢复，提高Micromegas探测器位置重建的分辨率和径迹角范围。
(2)针对VMM3芯片的特点，开发了高精度漂移时间测量系统。利用前端板VMM3芯片时间测量信息具备的时间戳特点，在数据采集与控制板中开发TDC模块对触发信号进行时间戳测量，经过同步时钟管理两个时间戳实现高精度长间隔时间测量。通过对触发时间的精确测量以及将两种时间戳同步结合的方法，可实现高精度的漂移时间测量，为TMM探测器μTPC法位置恢复提供精确的漂移时间，大大提高大角度入射粒子的位置分辨。
(3)设计完成了通道数达256路，且通道数可扩展的探测器测试系统，可实现对高密度和多层Micromegas探测器的测试。