ALICE/PHOS前端电子学系统BC设计及性能研究

论文摘要

随着高能物理实验中粒子能量的不断提高,粒子探测器规模的逐渐增大,实验数据量和数据传输速度也愈来愈高。同时随着新技术的不断发展,高分辨率的探测对于高能物理实验具有重要的意义。前端电子学系统用于对粒子经探测器产生的高速信号进行整形和模数转换等处理,它是整个实验系统中高分辨的能量和时间测量以及大量数据高速传输的关键部分。论文在分析了粒子探测器工作于高能粒子辐射环境下,通过监控FEE系统参数能有效减小辐射环境对电子学系统影响的基础上,设计了ALICE/PHOS前端电子学板FEE(Front End Electronics)的控制系统FPGA固件又称BC(Board Controller)。该设计主要包括ALTRO高速总线接口、RCUI2C总线接口、GTL驱动控制、系统电压、电流、温度监测和高压控制等模块。采用调整寄存器的分配方式、模块化的设计结构和高可读性及可移植性的软件设计方法,以及利用汉明编码改进系统总线控制状态机的抗辐射能力,使系统的可靠性和稳定性得到了很大提高。论文的另一项研究工作是设计了FEE测试系统并编写测试程序有效测量了一批FEE板的能量分辨率、时间分辨率、峰值时间、信号变换增益比、APD偏压控制精度和线性度等系统参数,为ALICE/PHOS实验数据的分析提供必要依据。本文设计的FPGA固件,ALICE实验组将在ALICE/EMCAL子探测器中使用,对不同FEE板各项性能参数测量的结果也已进入数据库,供ALICE实验组对探测器性能的全面分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 欧洲核子研究中心（CERN）
• 1.2 大型强子对撞机（LHC）
• 1.3 ALICE探测器
• 1.4 PHOS光子谱仪
• 1.5 ALICE/PHOS武汉组的工作及本文的研究目的
• 1.6 本文的组织
• 第二章 FEE主板监控系统
• 2.1 概述
• 2.2 电压、电流和温度监测模块
• 2.2.1 电压、电流和温度测量机制
• 2.2.2 测量误差分析
• 2.2.3 数字接口
• 2.3 模块电源控制与监测
• 2.4 APD偏压控制模块
• 2.4.1 APD增益的离散性
• 2.4.2 APD偏压控制模块整体框架
• 2.4.3 LV-HV电路
• 2.4.4 APD偏压控制反馈校验
• 2.5 通信接口与GTL+总线驱动模块
• 第三章 FEE信号处理链路
• 3.1 概述
• 3.2 SHAPER
• 3.2.1 Shaper的增益
• 3.2.2 Shaper的带宽
• 3.2.3 Shaper电路
• 3.3 ALTRO芯片
• 3.4 FAST OR
• 第四章 FEE板控制系统的BC设计
• 4.1 ALTRO总线接口模块设计
• 4.1.1 ALTRO总线读写时序及状态流程图
• 4.1.2 ALTRO总线有限状态机（FSM）设计
• 4.2 RCUI2C总线接口模块设计
• 4.2.1 RCUI2C总线时序及读写流程图
• 4.2.2 RCUI2C有限状态机设计
• 4.3 GTL驱动控制模块设计
• 4.3.1 GTL控制驱动芯片及控制电路介绍
• 4.3.2 GTL总线控制流程
• 4.3.3 GTL总线控制状态机
• 4.4 系统电压、电流、温度监控模块设计
• 4.4.1 系统电压、电流、温度监控流程
• 4.4.2 系统监控状态机的设计
• 4.5 HV BIAS控制模块设计
• 4.5.1 HV Bias Control的接口电路
• 4.5.2 HV Bias Control模块图设计
• 4.5.3 高压更新控制流程图及有限状态机设计
• 第五章 FEE性能测试
• 5.1 FEE性能参数描述
• 5.1.1 能量分辨率
• 5.1.2 时间分辨率
• 5.1.3 信号变换增益和增益比
• 5.1.4 峰值时间
• 5.1.5 APD反向偏压控制精度和线性度
• 5.2 FEE测试平台
• 5.2.1 脉冲发生器
• 5.2.2 数据获取系统DAQ
• 5.2.3 ROOT分析工具
• 5.3 FEE系统性能测试
• 5.3.1 FEE静态工作点测试
• 5.3.2 FEE系统GTL总线读写测试
• 5.3.3 FEE监控模块测试
• 5.3.4 FEE APD高压控制单元测试
• 5.3.5 FEE信号链路静态噪声测试
• 5.3.6 FEE信号链路动态性能测试
• 5.3.7 FEE时间分辨率测试
• 第六章 工作小结与展望
• 硕士期间发表的文章列表
• 参考文献
• 致谢