北京譜儀（BESIII）飛行時(shí)間讀出電子學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).pdf

1、北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)(BEPC，Beiiing Electron Positron Collider)目前是國(guó)際上工作在τ-能區(qū)的唯一高亮度正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)。它主要由直線加速器、束流運(yùn)輸線、儲(chǔ)存環(huán)、北京譜儀(BES，Beijing Spectrometer)和北京同步輻射裝置等組成。 BEPC自1989年建造投入使用后，在1996年對(duì)加速器和探測(cè)器均進(jìn)行了升級(jí)，使性能有了相當(dāng)大的改進(jìn)。升級(jí)后，對(duì)撞機(jī)仍稱為BEPC，而譜儀則稱為BES

2、Ⅱ。但經(jīng)過(guò)幾年的運(yùn)行，BEPC和BESⅡ已經(jīng)不能滿足要求，同時(shí)它也存在著老化的問(wèn)題，所以目前高能物理研究所正進(jìn)行BEPC和BES的再次升級(jí)，升級(jí)后的對(duì)撞機(jī)稱為BEPCⅡ，對(duì)應(yīng)的譜儀為BESⅢ。 BESⅢ由主漂移室、電磁量能器、飛行時(shí)間譜儀和μ子計(jì)數(shù)器等組成。其中飛行時(shí)間譜儀TOF(time-of-flight)是用來(lái)測(cè)量帶電粒子飛行時(shí)間的探測(cè)器，其主要功能是通過(guò)所測(cè)量的飛行時(shí)間信息，結(jié)合主漂移室測(cè)得粒子的動(dòng)量和徑跡，從而辨別粒子

3、的種類。TOF分桶部和端部?jī)蓚€(gè)部分。作為BES升級(jí)的一部分，BESⅢ的飛行時(shí)間計(jì)數(shù)器精度將得到大幅度的提高(桶部的探測(cè)精度由180ps提高到90ps，端蓋由350ps提高到110ps)，其中要求TOF讀出電子學(xué)系統(tǒng)(Readout System)的時(shí)間測(cè)量精度好于25ps。本論文將討論BESⅢ飛行時(shí)間讀出電子學(xué)系統(tǒng)，特別是其中的前端電子學(xué)模塊(FEE Module，F(xiàn)ront End ElectronicModule)，所涉及到的各種技

4、術(shù)以及設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。 通常對(duì)模擬信號(hào)的時(shí)間測(cè)量由定時(shí)甄別和時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換構(gòu)成。本文的第二章介紹了前沿定時(shí)、過(guò)零定時(shí)、恒比定時(shí)和ARC定時(shí)的特點(diǎn)。其中前沿定時(shí)和恒比定時(shí)是物理實(shí)驗(yàn)常用的兩種定時(shí)方式。前沿定時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但需要做“時(shí)間游動(dòng)”修正，常見(jiàn)的修正方法有幅度修正、電荷修正、波形數(shù)字化等。恒比定時(shí)雖然能夠消除幅度對(duì)定時(shí)的影響，但其結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜。 定時(shí)后的信號(hào)送入時(shí)間數(shù)字化TDC芯片中進(jìn)行量化。 第三章詳細(xì)介紹

5、了TDC的一些技術(shù)指標(biāo)和常見(jiàn)的架構(gòu)。通常TDC實(shí)現(xiàn)的方法除了使用計(jì)數(shù)器直接量化外，還可以先將其轉(zhuǎn)化為幅度、距離等物理量后再量化，不過(guò)對(duì)于絕對(duì)的時(shí)間測(cè)量一般都采用計(jì)數(shù)器法。計(jì)數(shù)器法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易集成，將它結(jié)合時(shí)間內(nèi)插技術(shù)可以獲得高精度的全數(shù)字化TDC。第三章的最后部分介紹了歐洲核子中心開(kāi)發(fā)的高性能全數(shù)字化TDC：HPTDC。 第四章到第六章主要圍繞BESⅢ飛行時(shí)間譜儀讀出電子學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和測(cè)試展開(kāi)討論。第四章首先介紹了國(guó)際上

6、幾個(gè)探測(cè)系統(tǒng)的TOF讀出電子學(xué)系統(tǒng)，如LHC的Alice TOF、KEK的Belle TOF、費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的CDF TOF、布魯海文實(shí)驗(yàn)室的STAR TOF。BESⅢ的TOF讀出電子學(xué)系統(tǒng)在借鑒這些系統(tǒng)的電子學(xué)的基礎(chǔ)上，結(jié)合自身的特點(diǎn)，提出了前沿定時(shí)和利用電荷測(cè)量修正“時(shí)間游動(dòng)”效應(yīng)的方案。電荷測(cè)量采用了先將電荷轉(zhuǎn)換為時(shí)間寬度再量化的方式，這樣定時(shí)后的時(shí)間量化和電荷測(cè)量的量化都可以采用統(tǒng)一的量化器：HPTDC，從而大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。

7、 第五章介紹了TOF讀出電子學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。TOF讀出電子學(xué)系統(tǒng)包括了前放和VME機(jī)箱系統(tǒng)，其中VME機(jī)箱系統(tǒng)中由以下幾個(gè)部分組成：負(fù)責(zé)測(cè)量時(shí)間和電荷的前端電子學(xué)讀出模塊(FEE Module)、負(fù)責(zé)41MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘扇出的時(shí)鐘扇出模塊(Clock Fanout Module)、負(fù)責(zé)機(jī)箱各FEE模塊控制和狀態(tài)讀出的快控制模塊(FEE FCtrl Module)、負(fù)責(zé)發(fā)送TOF快時(shí)間響應(yīng)信號(hào)的后插模塊(FEE Rear Module)。本

8、章著重介紹了TOF前端電子學(xué)FEE模塊的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。 第六章介紹讀出電子學(xué)系統(tǒng)的測(cè)試。測(cè)試主要針對(duì)前端電子學(xué)模塊的時(shí)間測(cè)量和電荷測(cè)量?jī)蓚€(gè)方面性能，分為三個(gè)階段：實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的電子學(xué)測(cè)試、實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下宇宙線測(cè)試和束流環(huán)境下的測(cè)試。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的電子學(xué)測(cè)試主要利用可編程的信號(hào)源模擬光電倍增管的信號(hào)，輸入到前端電子學(xué)模塊中測(cè)量時(shí)間精度、電荷精度(線性、噪聲誤差等)、溫漂影響等。宇宙線測(cè)試是利用探測(cè)器系統(tǒng)搭建的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)測(cè)試宇宙射線下的前