北京譜儀（BESIII）飛行時間讀出電子學系統(tǒng)設計與實現(xiàn).pdf

1、北京正負電子對撞機(BEPC，Beiiing Electron Positron Collider)目前是國際上工作在τ-能區(qū)的唯一高亮度正負電子對撞機。它主要由直線加速器、束流運輸線、儲存環(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年對加速器和探測器均進行了升級，使性能有了相當大的改進。升級后，對撞機仍稱為BEPC，而譜儀則稱為BES

2、Ⅱ。但經(jīng)過幾年的運行，BEPC和BESⅡ已經(jīng)不能滿足要求，同時它也存在著老化的問題，所以目前高能物理研究所正進行BEPC和BES的再次升級，升級后的對撞機稱為BEPCⅡ，對應的譜儀為BESⅢ。 BESⅢ由主漂移室、電磁量能器、飛行時間譜儀和μ子計數(shù)器等組成。其中飛行時間譜儀TOF(time-of-flight)是用來測量帶電粒子飛行時間的探測器，其主要功能是通過所測量的飛行時間信息，結合主漂移室測得粒子的動量和徑跡，從而辨別粒子

3、的種類。TOF分桶部和端部兩個部分。作為BES升級的一部分，BESⅢ的飛行時間計數(shù)器精度將得到大幅度的提高(桶部的探測精度由180ps提高到90ps，端蓋由350ps提高到110ps)，其中要求TOF讀出電子學系統(tǒng)(Readout System)的時間測量精度好于25ps。本論文將討論BESⅢ飛行時間讀出電子學系統(tǒng)，特別是其中的前端電子學模塊(FEE Module，F(xiàn)ront End ElectronicModule)，所涉及到的各種技

4、術以及設計和實現(xiàn)細節(jié)。 通常對模擬信號的時間測量由定時甄別和時間數(shù)字轉換構成。本文的第二章介紹了前沿定時、過零定時、恒比定時和ARC定時的特點。其中前沿定時和恒比定時是物理實驗常用的兩種定時方式。前沿定時結構簡單，但需要做“時間游動”修正，常見的修正方法有幅度修正、電荷修正、波形數(shù)字化等。恒比定時雖然能夠消除幅度對定時的影響，但其結構相對比較復雜。 定時后的信號送入時間數(shù)字化TDC芯片中進行量化。 第三章詳細介紹

5、了TDC的一些技術指標和常見的架構。通常TDC實現(xiàn)的方法除了使用計數(shù)器直接量化外，還可以先將其轉化為幅度、距離等物理量后再量化，不過對于絕對的時間測量一般都采用計數(shù)器法。計數(shù)器法結構簡單、容易集成，將它結合時間內插技術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飛行時間譜儀讀出電子學系統(tǒng)的設計、實現(xiàn)和測試展開討論。第四章首先介紹了國際上

6、幾個探測系統(tǒng)的TOF讀出電子學系統(tǒng)，如LHC的Alice TOF、KEK的Belle TOF、費米實驗室的CDF TOF、布魯海文實驗室的STAR TOF。BESⅢ的TOF讀出電子學系統(tǒng)在借鑒這些系統(tǒng)的電子學的基礎上，結合自身的特點，提出了前沿定時和利用電荷測量修正“時間游動”效應的方案。電荷測量采用了先將電荷轉換為時間寬度再量化的方式，這樣定時后的時間量化和電荷測量的量化都可以采用統(tǒng)一的量化器：HPTDC，從而大大簡化了設計。

7、 第五章介紹了TOF讀出電子學系統(tǒng)的設計。TOF讀出電子學系統(tǒng)包括了前放和VME機箱系統(tǒng)，其中VME機箱系統(tǒng)中由以下幾個部分組成：負責測量時間和電荷的前端電子學讀出模塊(FEE Module)、負責41MHz的系統(tǒng)時鐘扇出的時鐘扇出模塊(Clock Fanout Module)、負責機箱各FEE模塊控制和狀態(tài)讀出的快控制模塊(FEE FCtrl Module)、負責發(fā)送TOF快時間響應信號的后插模塊(FEE Rear Module)。本

8、章著重介紹了TOF前端電子學FEE模塊的實現(xiàn)細節(jié)。 第六章介紹讀出電子學系統(tǒng)的測試。測試主要針對前端電子學模塊的時間測量和電荷測量兩個方面性能，分為三個階段：實驗室環(huán)境下的電子學測試、實驗室環(huán)境下宇宙線測試和束流環(huán)境下的測試。實驗室環(huán)境下的電子學測試主要利用可編程的信號源模擬光電倍增管的信號，輸入到前端電子學模塊中測量時間精度、電荷精度(線性、噪聲誤差等)、溫漂影響等。宇宙線測試是利用探測器系統(tǒng)搭建的望遠鏡系統(tǒng)測試宇宙射線下的前