【摘要】：近年來(lái),現(xiàn)代粒子物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)的快速發(fā)展。粒子物理實(shí)驗(yàn)的能量越高,探測(cè)器的規(guī)模越大,前端電子學(xué)的通道數(shù)就越多。粒子物理實(shí)驗(yàn)對(duì)空間分辨的要求越高,探測(cè)器單元的密度也越高,電子學(xué)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(xué)的速度必須越快。因此,傳統(tǒng)電子學(xué)讀出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法面臨著巨大的挑戰(zhàn),未來(lái)的前端電子學(xué)讀出系統(tǒng)必然向大規(guī)模、高密度、高速度的趨勢(shì)發(fā)展。為了適應(yīng)現(xiàn)代粒子物理實(shí)驗(yàn)的發(fā)展,本論文重點(diǎn)研究了基于先進(jìn)ASIC(Application Specific Integrated Circuit)芯片的多探測(cè)單元信號(hào)讀出方法,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了兩種不同技術(shù)路線的電子學(xué)讀出系統(tǒng),并對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的性能測(cè)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(guó)內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀,指出了未來(lái)電子學(xué)讀出系統(tǒng)的發(fā)展方向。并舉例介紹了幾種多探測(cè)單元電子學(xué)讀出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,最后簡(jiǎn)介了論文的研究?jī)?nèi)容。第二章主要對(duì)電荷測(cè)量、時(shí)間測(cè)量以及波形數(shù)字化的方法進(jìn)行了討論。電荷測(cè)量的方法主要有電荷幅度轉(zhuǎn)換、電荷時(shí)間轉(zhuǎn)換和波形采樣。時(shí)間信息的測(cè)量主要包括定時(shí)甄別和時(shí)間-數(shù)字變換。波形數(shù)字化技術(shù)在核物理和粒子物理實(shí)驗(yàn)中有著許多優(yōu)點(diǎn),一些大的粒子物理實(shí)驗(yàn)中也已經(jīng)^u始了對(duì)此方法進(jìn)行相關(guān)電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用,文中分別對(duì)基于FADC(Flash Analog to Digital Converter)的波形數(shù)字化技術(shù)和基于開關(guān)電容陣列(Switched-Capacitor Arrays,SCA)的波形數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行介紹。第三章介紹基于電荷積分式ASIC芯片的電子學(xué)讀出系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)是選用一款I(lǐng)DEA公司的商用ASIC芯片VA32,并以該芯片為核心芯片,設(shè)計(jì)了一套完備的讀出電子學(xué)系統(tǒng)。整個(gè)電子學(xué)系統(tǒng)由前端電子學(xué)板FEC(Front-End-Card),數(shù)據(jù)獲取板DAQ(Data Acquisition)以及讀出控制上位機(jī)軟件組成。該電子學(xué)讀出系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)360路通道信號(hào)的讀出、數(shù)據(jù)處理,最后上傳到PC機(jī)保存;能夠接收和發(fā)送指令、對(duì)指令包的解析和響應(yīng)功能、遙測(cè)功能;同時(shí)電子學(xué)系統(tǒng)本身具有刻度和自檢功能。第四章介紹基于開關(guān)電容陣列(SCA)式ASIC芯片的讀出電子學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,該系統(tǒng)設(shè)計(jì)是基于一款PSI公司的商用ASIC芯片DRS4(Domino Ring Sampler 4)為基礎(chǔ),可同時(shí)對(duì)8路探測(cè)器輸出信號(hào)以最高采樣率5GHz的速率進(jìn)行波形數(shù)字化測(cè)量。波形取樣技術(shù)有極其誘人的前景。一種硬件所獲得的波形取樣數(shù)據(jù)經(jīng)過軟件計(jì)算可以得到多種物理數(shù)據(jù)。大大減少了硬件種類,提高了線路的靈活性。整個(gè)電子學(xué)系統(tǒng)只由波形數(shù)字化電路板及讀出控制上位機(jī)軟件組成。第五章介紹兩種電子學(xué)讀出系統(tǒng)的性能指標(biāo)。對(duì)電子學(xué)讀出進(jìn)行了電子學(xué)的測(cè)試,并給出了其性能測(cè)試結(jié)果,測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)能夠滿足粒子物理實(shí)驗(yàn)的要求�；赩A32的電子學(xué)讀出系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍為0-12.5p C,隨機(jī)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(xué)讀出系統(tǒng)信號(hào)輸入動(dòng)態(tài)范圍約1Vpp,隨機(jī)噪聲水平好于0.5m V,采樣率700MHz~5GHz,信號(hào)輸入帶寬~800MHz,并能夠?qū)崿F(xiàn)電路板間級(jí)聯(lián)第六章探討了兩種方案的電子學(xué)讀出系統(tǒng)在粒子物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用。通過和探測(cè)器具體的聯(lián)調(diào)測(cè)試,驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的電子學(xué)讀出系統(tǒng)方案的可行性。第七章總結(jié)全文,并展望未來(lái)工作。
【圖文】：

[18-19]。在 LHC 上開展的 ALICE 項(xiàng)目是為了開展重離子Pb-Pb碰撞而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。ALICE系統(tǒng)由若干個(gè)子探測(cè)器系統(tǒng)組成，如圖1．1所示。TPC 探測(cè)器作為核心探測(cè)器之一，環(huán)繞著 ITS 探測(cè)器，用來(lái)區(qū)分帶電粒子、描繪粒子運(yùn)動(dòng)軌跡等。圖 1．1 ALICE 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖其單通道前端讀出電子學(xué)示意圖如圖 1．2 所示，，主要由 4 個(gè)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(shù)字信息處理電路；數(shù)據(jù)緩存電路組成。單板實(shí)現(xiàn) 128 通道的模擬信號(hào)輸入，其中電荷靈敏前放和成形由 ASIC PASA 實(shí)現(xiàn)完成，每片 PASA 含有 16 通道，單板共需 8 個(gè) PASA 芯片。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 1．3 所示，PASA 片內(nèi)主要有極零相消網(wǎng)絡(luò)

友紼疽饌紀(jì)?1．3 PASA 結(jié)構(gòu)框圖圖 1．4 ALTRO 結(jié)構(gòu)框圖1．3．2 BESIII 飛行時(shí)間讀出電子學(xué)系統(tǒng)北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī) BESⅢ的飛行時(shí)間計(jì)數(shù)器[20-21]TOF 升級(jí)改造中，對(duì)電子學(xué)的性能指標(biāo)提出了更高的要求。TOF 電子學(xué)系統(tǒng)共有 448 個(gè)通道，系統(tǒng)能
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院研究生院（近代物理研究所）
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TL81

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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(jī)的計(jì)算機(jī)圖象讀出系統(tǒng)[J];光子學(xué)報(bào);1996年10期

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

4 陸波;崔葦葦;王于仨;朱s

本文編號(hào)：2649021