ATLAS（AToroidal LHC ApparatuS,超環(huán)面實驗儀器）是歐洲核子中心（CERN）大型強子對撞機（Large Hadron Collider,LHC）上的四大探測器之一,是世界上最大的通用粒子探測器。它在2012年發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子以及尋找超越標準模型的粒子物理學理論證據(jù)等方面起到了至關(guān)重要的作用。內(nèi)部探測器（Inner Detector）是ATLAS的重要組成部分。在高能物理實驗中,粒子碰撞產(chǎn)生高強度的輻照效應(yīng)會導(dǎo)致電子學系統(tǒng)失效,而常規(guī)的商用芯片無法滿足實驗中的抗輻照需求。特別是在ATLAS二期升級階段,LHC升級為高亮度LHC（High Luminosity LHC,HL-LHC）,其亮度將提升至7*1034 cm-2s-1。更高的亮度會導(dǎo)致更龐大的數(shù)據(jù)量以及更嚴重的輻照傷害。同時,現(xiàn)有的內(nèi)部探測器將由新的內(nèi)層硅像素徑跡探測器（Inner Track,ITk）所取代。因此,設(shè)計高抗輻照、高可靠性和高工作速率的內(nèi)層徑跡探測器數(shù)據(jù)讀出鏈路是ATLAS二期升級中的重要研究方向。本文的主要研究工作是設(shè)計應(yīng)用于內(nèi)層徑跡探測器讀出系統(tǒng)的信號鏈路方案,并解決其中的關(guān)鍵技術(shù),在... 

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圖１．?１?ＬＨＣ基本結(jié)構(gòu)圖??１．２?ＡＴＬＡＳ探測器??

，??—??１?｜??卜＾?專??丫?．?Ｉ?＇?７??／?＞／?＼?、、＞?＼ｖ?ｆｏｒｗａｒｄ?ｃａｌｏｒｉｍｅｔｅｒｓ??Ｖ?．．?？＇?／?／?Ｘ?Ｉ＂?，敝ｃｔｏｒ?＼??＊?＼?－ｙ?Ｔｏｒｏｉｄ?ｍａｇｎｅｔｓ?／?、、ｌＡｒ?ｅｌｅｃｔｒｏ?ｍａｇｎｅｔｉｃ?ｃａｔｏｒｉｍｅｔｅｒｓ??Ｍｕｏｎ?ｃｈａｍｂｅｒ＊?Ｓｏｌｅｎｏｉｄ?ｍａｇｎｅｔ?Ｉ?Ｉｒａｎｓｌｔｉｏｎ?ｒａｄｉａｈｏｎ?ｔｒａｃｋｅｒ??Ｓ？ｍｉｃｏｎｄｕｃＪ〇ｆ?ｈａｃｋｏｒ??圖１．２?ＡＴＬＡＳ探測器截面圖??由于ＡＴＬＡＳ探測器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通道數(shù)眾多，碰撞頻率高——約２５?ｎｓ發(fā)生一次碰??撞，因此會產(chǎn)生難以梳理的海量數(shù)據(jù)。以內(nèi)部探測器為例，如圖Ｉ．３所示，內(nèi)部探測器分為??像素探測器［丨丨］、半導(dǎo)體跟蹤器和躍遷輻射跟蹤器。其中，ＳＣＴ和ＴＲＴ分成柿（Ｂａｒｒｅｌ）端??和帽端（Ｅｎｄ－ｃａｐ）兩種不同的形式。在桶形區(qū)域，傳感器模塊圍繞著同心圓柱上進行布置，??在端蓋區(qū)域，這些模塊位于垂直于朿流軸的圓盤上。像表探測器位于ＡＴＬＡＳ最中心位置，??包含了三個位于中央的桶形層和位于兩端帽端的三個圓盤層。在這些筒形層和圓盤上，總共??有丨７４４個探測模塊，其中的１４５６個在桶形層區(qū)域，剩Ｆ的２８８個位于帽端區(qū)域。每個模塊??的面積是２?ｃｍ?＊６?ｃｍ，包含１６塊讀出芯片和其他的電子元件。模塊中的最＇ｊ、讀出單元是一??個像素，每個傳感模塊上共有４７２３２個像素，這些像素以３２８行１４４列的方式排列＾其中的??１２８列（４１９８４個像素或者８８．９％的比例）中的像素面積為５０?Ｕｍ＊?４００?另外１６列??（５２４８個

，共有６２０萬個數(shù)據(jù)讀出通道。躍遷輻射跟蹤器是內(nèi)部探測器是最外面??部分，與前兩者的探測方式都不同，它是由漂移管（也稱麥管）作為探測元件的。麥管直徑??為４?ｍｍ，長度分為１４４?ｃｍ?（筒形層部分）和３７?ｃｍ?（端帽部分）兩種，ＴＲＴ—共有２９８００條麥??管。因此，如此高密度高集成化的電子學系統(tǒng)對設(shè)計者而言將是一個極巨大的挑戰(zhàn)。即使??ＡＴＬＡＳ并不是對所有的數(shù)據(jù)進行采集分析而是使用觸發(fā)系統(tǒng)來記錄測量那些有意義的數(shù)??據(jù)，其數(shù)據(jù)量在一年內(nèi)依然能累積到一千萬億字節(jié)，非�？捎^。??圖１．?３?ＡＴＬＡＳ內(nèi)部探測器截面圖??另外，由于粒子碰撞產(chǎn)生大量的輻射，所有的電子器件都暴露于強輻射下。隨著ＬＨＣ??升級為ＨＬ－ＬＨＣ［１２］［ｌ３］［１４］，亮度更是高達７＊?Ｈ＾ｃｎｒＶ，更高的亮度意味著更大的轄射量??以及更高的傷害，普通商用芯片根本無法在強輻照下正常工作，所以整個ＡＴＬＡＳ探測器中??的電子學系統(tǒng)都需要進行抗輻照的處理。歐洲核子中心提出了一套專門的抗輻照規(guī)則，其目??的在于保證所有的電子元器件在ＬＨＣ期間能夠滿足１０年的服役期。根據(jù)位置的不同，其抗??輻照能力也不一樣，總輻照強度范圍為０．２?￣?３?ｋＧｙ。??１．３大型強子對撞機升級計劃??大型強子對撞機（ＬＨＣ）具有高能量與高亮度等特點，使得探索標準模型之外的新物理??現(xiàn)象以及對己知粒子性質(zhì)的檢測成為可能。整個ＡＴＬＡＳ實驗在２０１１至２０１２年間總共收集??了?５．２５?ｆｔｒ１?（７?ＴｅＶ的質(zhì)心能量）和２１．７?ｆｂ－１?（８?ＴｅＶ的質(zhì)心能量）的質(zhì)子－質(zhì)子碰撞數(shù)據(jù)。在接??下來的十年里，ＬＨＣ將計劃進行一系列的升級，使質(zhì)子與質(zhì)子以質(zhì)心能量為１４?ＴｅＶ

【參考文獻】：
期刊論文
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博士論文
[1]ATLAS前端讀出系統(tǒng)中抗輻照激光驅(qū)動ASIC設(shè)計[D]. 周威.華中師范大學 2019
[2]ATLAS液氬量能器前端讀出系統(tǒng)Phase-Ⅰ升級的光纖數(shù)據(jù)傳輸ASIC設(shè)計[D]. 李筱婷.華中師范大學 2014
[3]集成電路功耗估計及低功耗設(shè)計[D]. 徐勇軍.中國科學院研究生院（計算技術(shù)研究所） 2006



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