CSR强子探测器读出电子学方法研究

论文摘要

兰州重离子加速器冷却储存环（HIRFL-CSR）工程的CSRm内靶实验将利用重离子束流进行强子物理研究,包含的探测器设备有:径迹探测器、飞行时间探测器、电磁量能器和强子量能器等。CSRm外靶实验将在核物质状态方程、放射性束物理和超核等方面开展物理研究,包含的探测器设备有:起始时间探测器,靶区γ探测器,大接收度二极磁铁,多丝漂移室径迹探测器,飞行时间墙和中子墙等。其中,多丝漂移室通过测量带电粒子的漂移时间得到粒子径迹信息,飞行时间墙和中子墙采用了快塑料闪烁体加光电倍增管的探测方案测量粒子飞行时间,要求读出电子学系统具有高精度时间电荷测量性能。本论文将研究多丝漂移室、飞行时间墙和中子墙的读出电子学方法,设计基于TOT（Time-over-Threshold）技术的读出电子学系统并进行详细测试。探测器读出电子学主要涉及两个方面的技术——电荷测量和时间测量。电荷测量技术包括电荷-电压转换、波形数字化和电荷-时间转换三种。基于TOT技术的电荷-时间转换具有电路简单、低成本和低功耗的特点。时间测量技术包括定时和时间-数字转换。前沿定时是粒子物理实验中最常用的定时方式。前沿定时结构简单,但需要进行“时间游动”修正,修正方法有波形数字化、幅度修正和电荷修正。定时后的信号送到时间数字化芯片（TDC）中进行量化。时幅变换TDC、Wilkingson型TDC、游标卡尺型TDC和计数器TDC都可以得到很高的时间测量精度。欧洲核子中心（CERN）开发的HPTDC是一种非常适合粒子物理实验的高性能数据驱动型TDC。SFE16是一款基于TOT技术的16通道集成芯片。每个通道由一个电荷灵敏前放、极零相消电路、两级滤波成形电路、主放大器、甄别器和输出驱动电路组成,输出脉冲的宽度与输入电荷量相关。多丝漂移室读出电子学系统采用了SFE16进行时间和电荷测量。前端处理模块的SFE16用于对探测器信号放大、成形和甄别。前端处理模块通过差分电缆连接到64通道时间测量模块。安装在PXI机箱内的64通道时间测量模块采用了HPTDC完成时间测量。测量数据通过PXI总线传输到计算机。飞行时间墙和中子墙都采用了快塑料闪烁体加光电倍增管的探测方案,其读出电子学系统也采用TOT技术。为了保证时间测量精度,信号先分成两路,其中一路送到前沿定时甄别器和HPTDC中进行时间测量,另一路送到SFE16和HPTDC进行电荷测量。电荷信息用来进行时间游动效应修正。8个通道的电路集成在一块3U尺寸的PXI模块上。测试数据通过PXI总线传输到计算机。读出电子学系统的测试包括时间性能和电荷性能两个方面,测试又可分为三个阶段:实验室环境下的电子学测试、读出电子学系统与探测器联合测试和现场测试。电子学测试主要是利用信号发生器的信号测试读出电子学系统的性能。联合测试是利用探测器和读出电子学系统搭建的测试平台,将探测器的信号送到读出电子学系统进行测试。现场测试得到整个系统在实际工作环境下的性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 参考文献
• 第2章 CSR强子探测器
• 2.1 兰州重离子加速器冷却储存环（HIRFL-CSR）
• 2.2 CSRm外靶实验装置
• 2.2.1 起始时间探测器
• 2.2.2 靶区γ探测器
• 2.2.3 大接收度二极磁铁
• 2.2.4 多丝漂移室
• 2.2.5 中子墙
• 2.2.6 飞行时间墙
• 2.3 CSRm内靶实验装置
• 2.4 小结
• 参考文献
• 第3章 两类探测器
• 3.1 多丝漂移室
• 3.1.1 多丝漂移室的结构
• 3.1.2 多丝漂移室的读出电子学
• 3.2 塑料闪烁体探测器
• 3.2.1 飞行时间法
• 3.2.3 中子墙和飞行时间墙
• 3.3 小结
• 参考文献
• 第4章 电荷测量技术
• 4.1 电荷-电压转换
• 4.1.1 电压灵敏放大
• 4.1.2 电荷灵敏放大
• 4.1.3 电流灵敏放大
• 4.2 波形取样技术
• 4.3 电荷-时间转换
• 4.4 小结
• 参考文献
• 第5章 时间测量技术
• 5.1 定时方法
• 5.1.1 前沿定时
• 5.1.2 前沿定时修正
• 5.1.2.1 波形数字化
• 5.1.2.2 幅度测量
• 5.1.2.3 电荷测量
• 5.2 时间-数字变换
• 5.2.1 时间-幅度变换
• 5.2.2 Wilkingsom型TDC
• 5.2.3 游标卡尺型TDC（Vernier TDC）
• 5.2.4 计数器TDC
• 5.3 一种高性能的数据驱动型TDC——HPTDC
• 5.3.1 HPTDC的时间测量原理
• 5.3.2 数据写入L1缓冲
• 5.3.3 触发匹配
• 5.3.4 HPTDC的数据读出
• 5.3.5 HPTDC的其他特性
• 5.3.5.1 信号输入的结构
• 5.3.5.2 抗辐射特性和强大的错误检测功能
• 5.3.6 TDC性能的测试方法
• 5.3.6.1 码密度
• 5.3.6.2 线延迟
• 5.4 小结
• 参考文献
• 第6章 TOT技术
• 6.1 TOT技术
• 6.2 基于TOT技术的芯片
• 6.2.1 SFE16
• 6.2.2 NINO
• 6.3 小结
• 参考文献
• 第7章 两类探测器读出电子学系统设计
• 7.1 多丝漂移室读出电子学系统设计
• 7.1.1 整体结构
• 7.1.2 前端处理模块
• 7.1.3 时间测量模块
• 7.1.3.1 时间测量模块的子板
• 7.1.3.2 时间测量模块的母板
• 7.1.3.3 子母板之间的数据传输
• 7.2 塑料闪烁体探测器读出电子学系统设计
• 7.2.1 整体结构
• 7.2.2 信号的接入和缓冲
• 7.2.3 时间测量
• 7.2.3.1 定时甄别
• 7.2.3.2 时间-数字转换
• 7.2.4 电荷测量
• 7.2.5 HPTDC的互连和读出
• 7.2.6 读出与控制逻辑
• 7.2.7 PXI接口
• 参考文献
• 第8章 两类探测器读出电子学系统测试
• 8.1 多丝漂移室读出电子学系统测试
• 8.1.1 64通道时间测量模块的电子学测试
• 8.1.1.1 非线性测试
• 8.1.1.2 时间精度测试
• 8.1.1.3 串扰测试
• 8.1.2 前端处理模块测试
• 8.2 塑料闪烁体探测器读出电子学系统测试
• 8.2.1 电子学测试
• 8.2.1.1 时间测量性能测试
• 8.2.1.2 电荷测量性能测试
• 8.2.1.3 其他测试
• 8.2.2 与中子墙单元条宇宙线测试
• 8.3 小结
• 参考文献
• 第9章 总结与展望
• 9.1 总结
• 9.2 展望
• 参考文献
• 附录1 HPTDC的数据格式（来自HPTDC手册）
• 附录2 8通道时间电荷测量模块
• 附录3 64通道时间测量模块
• 附录4 PXI 3U延长板
• 附录5 TTL转LVDS板
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果
• 致谢