【摘要】：大型強子對撞機(Large Hadron Collider,LHC)是世界上最大的,也是對撞能量最高的質(zhì)子加速器。其在粒子質(zhì)量起源、超對稱物理、暗物質(zhì)、高維物理等物理研究領(lǐng)域起到至關(guān)重要的作用。為了能使LHC發(fā)揮到最大作用,計劃在未來十年中通過多次升級將其亮度提高十倍。超環(huán)面儀器(A Toroidal LHC ApparatuS,ATLAS)實驗是LHC上最重要的通用目的探測器裝置之一,可以對多種粒子進行精確測量,為精確測量和發(fā)現(xiàn)新的物理現(xiàn)象等物理學(xué)前沿課題提供強有力的工具。為了應(yīng)對LHC升級后更高亮度的探測需求,ATLAS也需要進行一系列升級。監(jiān)控漂移管室(Monitored Drift Tube chambers,MDT chambers)作為ATLAS中重要的子探測器系統(tǒng)可以提供精確的μ子動量測量。由于當(dāng)LHC升級后現(xiàn)有的μ子探測系統(tǒng)的觸發(fā)系統(tǒng)已經(jīng)無法提供精度足夠高的觸發(fā)信號,因此計劃在二期升級中將MDT chambers加入觸發(fā)系統(tǒng)中以提高整個ATLAS探測器的觸發(fā)精度及觸發(fā)效率。為此MDT的前端電子學(xué)中核心的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換(Time-to-Digital Converter,TDC)專用集成電路(Application-specific integrated circuit,ASIC)需要進行重新設(shè)計以應(yīng)對二期升級后MDT前端電子學(xué)的要求。重新設(shè)計后的TDC必須具有低讀出延遲、低功耗、同時兼容無硬件觸發(fā)和觸發(fā)讀出兩種模式、高靈活度讀出方式等特點。本論文針對MDT二期升級前端電子學(xué)的性能指標及應(yīng)用需求,展開了多通道、低功耗、讀出方式靈活的TDC ASIC研究,實際設(shè)計了一款基于CMOS 130 nm工藝的TDC芯片,并成功流片。測試結(jié)果顯示此TDC成功達到本論文的研究目標。本論文的內(nèi)容安排如下:第一章主要介紹了 ATLAS MDT探測器系統(tǒng)的現(xiàn)狀以及其在升級過程遇到的挑戰(zhàn)�，F(xiàn)有的ATLAS探測器系統(tǒng)已經(jīng)取得巨大成績,然而現(xiàn)有的ATLAS MDT探測器系統(tǒng)無法應(yīng)對LHC亮度升級后更高的數(shù)據(jù)率。為此需要對MDT探測系統(tǒng)的前端電子學(xué)進行重新設(shè)計,以獲取精度更高、效率更好的觸發(fā)和讀出前端系統(tǒng),其中的核心器件便是本文所研究的TDC ASIC。第二章主要介紹了目前主流的時間數(shù)字變換方法。時間是一個極為重要的物理量,在很多領(lǐng)域都有對其進行精確測量的需求。針對不同的應(yīng)用需求,多種精確時間數(shù)字變換的方法被發(fā)展出來。本章中對多種變換方法進行了調(diào)研,分析其變換的原理,優(yōu)缺點和適用的應(yīng)用場景,以及其在FPGA或者ASIC上實現(xiàn)的案例。第三章介紹了本論文所研究芯片的具體指標,根據(jù)此指標和應(yīng)用場景,選擇了時鐘分相技術(shù)作為本論文所研究TDC芯片進行細測量時間的技術(shù)路線,并確定了本論文所研究TDC芯片的整體架構(gòu)。論文工作中針對時間量化電路核心模塊時鐘狀態(tài)鎖存器進行了研究,并提出了脈沖使能型的鎖存器結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了鎖存器速度與功耗的優(yōu)化設(shè)計。同時設(shè)計和實現(xiàn)了整個芯片的時間量化通道。第四章介紹了本論文針對MDT前端電子學(xué)需求所設(shè)計的TDC芯片讀出邏輯。工作中對無硬件觸發(fā)讀出和觸發(fā)讀出兩種模式進行了深入的研究。針對應(yīng)用的場景設(shè)計了低延遲的無觸發(fā)讀出模式,以及基于通道內(nèi)部CAM(Content Addressable Memory)的觸發(fā)讀出模式。本章還介紹了所研究的TDC芯片多種接口的設(shè)計和實現(xiàn),包括配置接口、控制接口和數(shù)據(jù)接口。第五章主要介紹了本論文所研究TDC總體的實現(xiàn)情況以及其測試結(jié)果�；贑MOS 130 nm工藝,成功實現(xiàn)了集成24個前后沿測量通道、低功耗、讀出方式靈活的TDC芯片。測試結(jié)果顯示其Bin Size平均值為781.25 ps,不一致性小于±40 ps;時間測量精度在全量程范圍內(nèi)都好于276ps RMS(最好可達64 ps RMS);功耗小于250 mW;在丟包率小于0.1%的條件下讀出延遲小于450 ns。上述性能滿足了MDT二期升級前端電子學(xué)的需求。另外通過多通道進一步內(nèi)插,可以得到Bin Size為195 ps,不一致性小于±10ps,時間測量精度在全量程范圍內(nèi)都好于69 ps RMS(最好可達43 ps RMS)的更高精度的TDC。最后一章對論文工作進行總結(jié),并展望了下一步工作。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：O572
【圖文】：

１．１．１大型強子對撞機簡介逡逑大型強子對揸機（Ｌａｒｇｅ邋Ｈａｄｒｏｎ邋Ｃｏｌｌｉｄｅｒ，邋ＬＨＣ）是目前世界上人類建成的最逡逑大的科學(xué)實驗裝置［１］。如圖１．１所示ＬＨＣ是一個環(huán)形的質(zhì)子加速器，位于瑞士逡逑？法國邊界，主體建設(shè)在地下５０米到１７５米之間，隧道總長度達２７公里。在加逡逑速器隧道中主要放置了兩個相鄰真空的質(zhì)子管道，兩個管道中的質(zhì)子束團在管道逡逑中按照相反的方向運行，在對撞點進行對撞。ＬＨＣ上總共有四個對撞點。這四個逡逑對撞點分別進行著四個大型實驗，分別為超環(huán)面儀器實驗（Ａ邋Ｔｏｒｏｉｄａｌ邋ＬＨＣ逡逑Ａｐｐａｒａｔｕｓ，邋ＡＴＬＡＳ）［２］，緊湊）！子線圈實驗（Ｃｏｍｐａｃｔ邋Ｍｕｏｎ邋Ｓｏｌｅｎｏｉｄ，邋ＣＭＳ）［３］，逡逑大型離子對撞實驗（Ａ邋Ｌａｒｇｅ邋Ｉｏｎ邋Ｃｏｌｌｉｄｅｒ邋Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，邋ＡＬＩＣＥ）［４］以及邋ＬＨＣ邋底夸逡逑克實驗（ＬＨＣ－ｂ）［５］。此外還有其他一些較小的實驗也在ＬＨＣ上進行。逡逑

HL-LHC升住時間衰

本文編號：2734753