BESⅢ觸發(fā)快控制系統(tǒng)的研制.pdf

1、為了進行更精確的()-粲物理實驗研究——3-4GeV能區(qū)精確測量和研究J/ψ和ψ’能區(qū)內(nèi)的稀有衰變，并確保中國的高能物理實驗裝置在這個能區(qū)繼續(xù)保持國際領(lǐng)先地位，科學(xué)家們在廣泛聽取國內(nèi)外專家意見的基礎(chǔ)上，將對北京正負電子對撞機和北京譜儀進行重大升級改造。改建任務(wù)是在對撞機現(xiàn)有隧道內(nèi)新建一個儲存環(huán)，采用多束團、大交叉角對撞方式，亮度將提高兩個數(shù)量級，建成后的北京正負電子對撞機(BEPCⅡ)成為當前國際上最先進的雙環(huán)對撞機。升級后的探測器-北

2、京譜儀Ⅲ(BESⅢ)將大幅度提高探測器的分辨率和粒子識別能力，減少系統(tǒng)誤差，以與BEPCⅡ的高亮度提供的高統(tǒng)計精度相匹配。 本論文主要研究目標是研制BESⅢ觸發(fā)快控制系統(tǒng)(FCS)，它是BESⅢ觸發(fā)系統(tǒng)的重要組成部分，也是整個譜儀的關(guān)鍵控制部分。它控制著探測器讀出電子學(xué)系統(tǒng)與觸發(fā)系統(tǒng)協(xié)同運行，使數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)記錄有效事例數(shù)據(jù)。本文作者在高能所觸發(fā)組的指導(dǎo)下，在充分調(diào)研與分析國際上同類裝置的快控制系統(tǒng)(或觸發(fā)定時系統(tǒng))的基礎(chǔ)上，結(jié)合

3、BESⅢ實際需要與目前的先進電子技術(shù)，設(shè)計了觸發(fā)快控制系統(tǒng)，同時對相關(guān)問題作了仔細研究。 本論文前兩章首先闡述了國際高能物理實驗裝置電子技術(shù)的特點與發(fā)展，列出了本文的具體研究目標。介紹了北京正負電子對撞機和北京譜儀的升級改造規(guī)劃，包括各子探測器的功能設(shè)計和期望達到的指標。分析了國際上同類裝置——BaBar粒子探測器和正在建設(shè)的大型強子對撞機LHC的快控制系統(tǒng)，它們的設(shè)計給BESⅢ的快控制系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)設(shè)計和信號設(shè)置帶來很多可借鑒

4、之處。 在介紹BESⅢ觸發(fā)快控制系統(tǒng)之前，本文首先對其要使用的光纖高速串行傳輸技術(shù)所進行的詳細研究予與介紹。此技術(shù)用在BESⅢ中，關(guān)心的問題有：傳輸誤碼率，線路抗干擾性，錯誤報告及同步恢復(fù)，延時離散度，相位穩(wěn)定性和輻照損傷特性等。本文選用TI的TLK1501作為串并轉(zhuǎn)換器，Agilent的HFBR-5921L作為光收發(fā)器組成了一套完整的測試環(huán)境，對以上問題進行詳細研究，得出了此傳輸線路特性的完整資料；同時針對一些問題提出了同步自

5、動恢復(fù)方法，延遲晃動消除方法等解決方案，為光纖串行傳輸技術(shù)在FCS中的正確應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。同時，還介紹了適用于高能物理裝置使用的其它串并轉(zhuǎn)換芯片如Agilent103xA，CERNGol等，并測試了它們的部分性能，比較了各種組合的優(yōu)缺點。 BESⅢ觸發(fā)快控制系統(tǒng)的主要任務(wù)一方面是將觸發(fā)系統(tǒng)的快控制信號通過光纖或差分電纜下傳到子探測器電子學(xué)系統(tǒng)和觸發(fā)系統(tǒng)；另一方面收集子探測器電子學(xué)和觸發(fā)系統(tǒng)上傳的讀出狀態(tài)信號并進行處理；同時扇出B

6、ESⅢ時鐘系統(tǒng)給出的與束團同步的41.65MHz系統(tǒng)時鐘信號。本文詳細介紹了觸發(fā)快控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和各個插件的功能。對作者的主要研制對象，也是FCS的核心——快控制主板進行了詳細描述，包括電路設(shè)計、器件選擇、FPGA內(nèi)部的邏輯設(shè)計以及它與快控制子板的連接等。最后對快控制系統(tǒng)的小系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果進行了介紹。 為了保證時鐘系統(tǒng)的時鐘與束團同步，作者研究了時鐘同步信號產(chǎn)生方案，提出了兩種方法：利用Pickup電極感應(yīng)信號來產(chǎn)生和直接利用加速

7、器的旋轉(zhuǎn)頻率信號的方法。作者用全高速電路設(shè)計了從Pickup電極感應(yīng)信號中提取出同步信號的方法，保留了信號的快速特性，，為保證系統(tǒng)時鐘的準確同步提供了可能。同時介紹了第二種方法的實現(xiàn)方案，為時鐘系統(tǒng)的最終設(shè)計提供參考。 本論文的意義和創(chuàng)新之處： 1.本文研究內(nèi)容屬于北京正負電子對撞機(BEPCⅡ)重大改造工程項目，是北京譜儀Ⅲ(BESⅢ)的關(guān)鍵部分之一。此譜儀是國內(nèi)唯一的大型粒子探測器。建成后，將是國際高能物理界C能區(qū)上

8、性能最好的探測器，預(yù)期將能在()-粲物理前沿課題取得多項具有世界領(lǐng)先水平的重大物理成果。 2.在廣泛的調(diào)研基礎(chǔ)上，比較了世界上同類大型譜儀或?qū)ψ矙C的快控制系統(tǒng)的設(shè)計，如BaBar，CleoⅢ，Belle和正在建設(shè)的LHC等。并結(jié)合BESⅢ的實際需要，在VME總線基礎(chǔ)上設(shè)計出一套功能完善，靈活，可靠的快控制系統(tǒng)。它具有豐富的快控制信號定義，多種讀出狀態(tài)處理方式和精確穩(wěn)定的時鐘扇出能力。 3.與各電子學(xué)的信號連接采用光纖，從

9、而避免了各個探測器電子學(xué)之間的在觸發(fā)系統(tǒng)形成共地干擾，同時，在光纖基礎(chǔ)上引入高速串行技術(shù)，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捙c可靠性，減少了信號線數(shù)目，延長了傳輸距離。針對BESⅢ的實際應(yīng)用，還研究了串行傳輸?shù)耐交謴?fù)，延遲一致性問題，并提出解決方法，為快控制主板設(shè)計了觸發(fā)端初始化及檢測雙工光纖鏈路方法。同時，對光纖傳輸鏈路在輻照條件下的使用情況也要作了理論和實驗上的研究。為光纖高速串行傳輸技術(shù)在BESⅢ和高能物理實驗中的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。 4