【摘要】：近年來,現代粒子物理實驗技術的快速發(fā)展。粒子物理實驗的能量越高,探測器的規(guī)模越大,前端電子學的通道數就越多。粒子物理實驗對空間分辨的要求越高,探測器單元的密度也越高,電子學讀出系統(tǒng)的密度也隨之提高。加速器亮度越高,事例率越高,前端電子學的速度必須越快。因此,傳統(tǒng)電子學讀出系統(tǒng)的設計方法面臨著巨大的挑戰(zhàn),未來的前端電子學讀出系統(tǒng)必然向大規(guī)模、高密度、高速度的趨勢發(fā)展。為了適應現代粒子物理實驗的發(fā)展,本論文重點研究了基于先進ASIC(Application Specific Integrated Circuit)芯片的多探測單元信號讀出方法,設計實現了兩種不同技術路線的電子學讀出系統(tǒng),并對其進行了詳細的性能測試。論文的組織按章節(jié)如下:第一章介紹了課題的背景和研究意義,以及國內外發(fā)展的現狀,指出了未來電子學讀出系統(tǒng)的發(fā)展方向。并舉例介紹了幾種多探測單元電子學讀出系統(tǒng)的設計方案,最后簡介了論文的研究內容。第二章主要對電荷測量、時間測量以及波形數字化的方法進行了討論。電荷測量的方法主要有電荷幅度轉換、電荷時間轉換和波形采樣。時間信息的測量主要包括定時甄別和時間-數字變換。波形數字化技術在核物理和粒子物理實驗中有著許多優(yōu)點,一些大的粒子物理實驗中也已經^u始了對此方法進行相關電路設計與應用,文中分別對基于FADC(Flash Analog to Digital Converter)的波形數字化技術和基于開關電容陣列(Switched-Capacitor Arrays,SCA)的波形數字化技術進行介紹。第三章介紹基于電荷積分式ASIC芯片的電子學讀出系統(tǒng)設計方案。本系統(tǒng)設計是選用一款IDEA公司的商用ASIC芯片VA32,并以該芯片為核心芯片,設計了一套完備的讀出電子學系統(tǒng)。整個電子學系統(tǒng)由前端電子學板FEC(Front-End-Card),數據獲取板DAQ(Data Acquisition)以及讀出控制上位機軟件組成。該電子學讀出系統(tǒng)能夠實現360路通道信號的讀出、數據處理,最后上傳到PC機保存;能夠接收和發(fā)送指令、對指令包的解析和響應功能、遙測功能;同時電子學系統(tǒng)本身具有刻度和自檢功能。第四章介紹基于開關電容陣列(SCA)式ASIC芯片的讀出電子學系統(tǒng)設計方案,該系統(tǒng)設計是基于一款PSI公司的商用ASIC芯片DRS4(Domino Ring Sampler 4)為基礎,可同時對8路探測器輸出信號以最高采樣率5GHz的速率進行波形數字化測量。波形取樣技術有極其誘人的前景。一種硬件所獲得的波形取樣數據經過軟件計算可以得到多種物理數據。大大減少了硬件種類,提高了線路的靈活性。整個電子學系統(tǒng)只由波形數字化電路板及讀出控制上位機軟件組成。第五章介紹兩種電子學讀出系統(tǒng)的性能指標。對電子學讀出進行了電子學的測試,并給出了其性能測試結果,測試結果表明系統(tǒng)能夠滿足粒子物理實驗的要求�；赩A32的電子學讀出系統(tǒng)動態(tài)范圍為0-12.5p C,隨機噪聲水平約為3.2f C,積分非線性好于0.6%,系統(tǒng)線性增益約1462倍。基于DRS4的電子學讀出系統(tǒng)信號輸入動態(tài)范圍約1Vpp,隨機噪聲水平好于0.5m V,采樣率700MHz~5GHz,信號輸入帶寬~800MHz,并能夠實現電路板間級聯第六章探討了兩種方案的電子學讀出系統(tǒng)在粒子物理實驗中的應用。通過和探測器具體的聯調測試,驗證了所設計的電子學讀出系統(tǒng)方案的可行性。第七章總結全文,并展望未來工作。
【圖文】：

[18-19]。在 LHC 上開展的 ALICE 項目是為了開展重離子Pb-Pb碰撞而進行的實驗。ALICE系統(tǒng)由若干個子探測器系統(tǒng)組成，如圖1．1所示。TPC 探測器作為核心探測器之一，環(huán)繞著 ITS 探測器，用來區(qū)分帶電粒子、描繪粒子運動軌跡等。圖 1．1 ALICE 系統(tǒng)整體結構圖其單通道前端讀出電子學示意圖如圖 1．2 所示，，主要由 4 個部分組成：電荷靈敏前方和成形；10 位采樣率 25MSPS 的低功耗 ADC；數字信息處理電路；數據緩存電路組成。單板實現 128 通道的模擬信號輸入，其中電荷靈敏前放和成形由 ASIC PASA 實現完成，每片 PASA 含有 16 通道，單板共需 8 個 PASA 芯片。其內部結構如圖 1．3 所示，PASA 片內主要有極零相消網絡

友紼疽饌紀?1．3 PASA 結構框圖圖 1．4 ALTRO 結構框圖1．3．2 BESIII 飛行時間讀出電子學系統(tǒng)北京正負電子對撞機 BESⅢ的飛行時間計數器[20-21]TOF 升級改造中，對電子學的性能指標提出了更高的要求。TOF 電子學系統(tǒng)共有 448 個通道，系統(tǒng)能
【學位授予單位】：中國科學院研究生院（近代物理研究所）
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TL81

【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 馬基茂,白景芝,杜云鶴,陳朝清,武振東,高樹琦,謝佩佩,顏潔;一種多絲正比室讀出系統(tǒng)[J];核技術;1981年04期

2 山冰，毛席云，張小秋，王淑巖，李丙乾，常增虎，何海恩，胡昕，唐道源;用于條紋相機的計算機圖象讀出系統(tǒng)[J];光子學報;1996年10期

3 于傳松,盛俊鵬,何其力,鄧炳坤,吳喜成;一種死時間極小的多絲室讀出系統(tǒng)[J];核電子學與探測技術;1998年04期

4 陸波;崔葦葦;王于仨;朱s

本文編號：2649021