高等核電子學(xué)6-3課件

高能物理實(shí)驗(yàn)中觸發(fā)和數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)

高能物理實(shí)驗(yàn)中觸發(fā)和數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)第3節(jié)前端電子學(xué)系統(tǒng)前端電子學(xué)在數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)中的作用和組成作用：從探測(cè)單元提取信號(hào)，進(jìn)行放大、成形等模擬處理，經(jīng)過(guò)數(shù)字化，為數(shù)據(jù)獲取主系統(tǒng)提供事例信息，同時(shí)為觸發(fā)判選系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。位于數(shù)據(jù)源(即探測(cè)器)輸出端第3節(jié)前端電子學(xué)系統(tǒng)前端電子學(xué)在數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)中的作用和組成3.1前端電子學(xué)系統(tǒng)－作用和組成前端電子學(xué)在數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)中的作用和組成組成：信號(hào)處理單元包括前置放大，成形放大和甄別器等在高計(jì)數(shù)率情況下,不僅僅有信噪比方面要求，還有速度上要求，例如基線恢復(fù)等措施3.1前端電子學(xué)系統(tǒng)－作用和組成前端電子學(xué)在數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)中3.1前端電子學(xué)系統(tǒng)－作用和組成緩沖存儲(chǔ)單元為了提高對(duì)撞機(jī)的亮度，LHC對(duì)撞機(jī)的對(duì)撞周期為25ns，這意味著在每25ns產(chǎn)生一次作用，每次作用都有可能是需要記錄的事例，取舍與否決定于觸發(fā)判選系統(tǒng)。特別是第一級(jí)觸發(fā)系統(tǒng)，要在第一級(jí)觸發(fā)系統(tǒng)中完成一次觸發(fā)判選，判選時(shí)間達(dá)到2us，是對(duì)撞作用周期80倍，一次作用結(jié)果取舍必須等待80次作用之后才能決定。這就是為什么要有緩沖存儲(chǔ)單元的原因。3.1前端電子學(xué)系統(tǒng)－作用和組成緩沖存儲(chǔ)單元3.1前端電子學(xué)系統(tǒng)－作用和組成3.1前端電子學(xué)系統(tǒng)－作用和組成3.1前端電子學(xué)系統(tǒng)－作用和組成數(shù)字化電路包括甄別、ADC、TDC和地址編碼等，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量3.1前端電子學(xué)系統(tǒng)－作用和組成數(shù)字化電路數(shù)據(jù)通道零壓縮和數(shù)據(jù)緩沖事例內(nèi)篩選出有意義的通道，剔除無(wú)意義的通道數(shù)據(jù)，使每個(gè)事例所占有的字節(jié)數(shù)減少，來(lái)減小原始數(shù)據(jù)速率，即為數(shù)據(jù)通道零壓縮。通常采用DSP來(lái)完成。第一級(jí)觸發(fā)判選之后事例數(shù)據(jù)繼續(xù)需要被緩沖存儲(chǔ)，等待第二級(jí)觸發(fā)判選取舍的決定，同時(shí)起到解隨機(jī)的作用。3.1前端電子學(xué)系統(tǒng)－作用和組成數(shù)據(jù)通道零壓縮和數(shù)據(jù)緩沖3.1前端電子學(xué)系統(tǒng)－作用和組成3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理半導(dǎo)體探測(cè)單元信號(hào)處理

高能物理中半導(dǎo)體探測(cè)器半導(dǎo)體探測(cè)器早在上世紀(jì)七、八十年代已廣泛應(yīng)用在它具有極好的能量和空間分辨以及快的相應(yīng)時(shí)間，在廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)上是由高阻單晶硅材料制成的，目前還在研究體探測(cè)器，金剛石探測(cè)器也是有望可以開發(fā)的一種在高能物理中，以下列形式應(yīng)用：pixeldetector象素探測(cè)器microstripdetector“微條”探測(cè)器3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理半導(dǎo)體探測(cè)單元信號(hào)處3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理半導(dǎo)體探測(cè)器的示意圖3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理半導(dǎo)體探測(cè)器的示意圖3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理硅微條探測(cè)器工作原理3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理硅微條探測(cè)器工作原理3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理半導(dǎo)體探測(cè)器工作原理：電離粒子穿過(guò)探測(cè)器，沿著其徑跡產(chǎn)生電子–空穴時(shí)，電子–空穴對(duì)數(shù)正比于粒子在探測(cè)器內(nèi)的能量損失，探測(cè)器二端加上反偏的電場(chǎng)，使電荷對(duì)在復(fù)合之前由電極將其收集起來(lái)，在電荷收集過(guò)程中在電極上產(chǎn)生電流脈沖，其積分（即電荷）正比于粒子在探測(cè)器內(nèi)沉積的能量，通過(guò)電荷積分器和成形放大器將其讀出，其信號(hào)的幅度正比于電荷值，即正比于能量沉積。由于產(chǎn)生電荷對(duì)所需的能量只有3.6ev（硅半導(dǎo)體探測(cè)器），比氣體電離能（30ev）和閃爍計(jì)數(shù)器中從光電轉(zhuǎn)換器件的光陰極上拉出電子所需的能量（300ev）要小。另一方面，在硅中平均能量損失很高，大約390ev/μm，每μm產(chǎn)生110e-h對(duì)產(chǎn)額很高，因而使固有能量分辨很佳，在高能物理應(yīng)用中最佳厚度為300μm，電離粒子通過(guò)平均可以得到3.2×104e-h對(duì)。3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理半導(dǎo)體探測(cè)器工作原理3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理半導(dǎo)體探測(cè)器除有很高能量分辨之外,另一個(gè)特點(diǎn)是其空間分辨很好，這是因?yàn)楫?dāng)代半導(dǎo)體工藝使探測(cè)單元可以做得很小，集成密度很高。具體有以下特性：位置精度5μm雙徑跡分辨在10μm以下對(duì)于微條型探測(cè)器偏壓低于100v時(shí)間響應(yīng)小于5ns安裝相對(duì)比較簡(jiǎn)單對(duì)前端讀出電路的要求：低噪聲，高靈敏，快響應(yīng)，抗輻射，高計(jì)數(shù)率，低功耗，高集成度3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理半導(dǎo)體探測(cè)器除有很高3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理半導(dǎo)體探測(cè)器前端讀出電路包括：前置放大器（一般為電荷靈敏放大器）成形放大器甄別器和甄別閾設(shè)置電路3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理半導(dǎo)體探測(cè)器前端讀出3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理閃爍計(jì)數(shù)器中光電轉(zhuǎn)換器的前端讀出電子學(xué)

閃爍計(jì)數(shù)器被廣泛用于核物理和高能粒子物理實(shí)驗(yàn)中。它是利用某些化合物在帶電粒子通過(guò)或光激發(fā)后能發(fā)射短的光脈沖特性，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換器件將其轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)。電脈沖信號(hào)的電荷量一般正比于閃爍體發(fā)射的光產(chǎn)額，即正比于粒子沉積在閃爍體中能量，因此它可以用來(lái)測(cè)量粒子的能量。快響應(yīng)閃爍體與快光電轉(zhuǎn)換器件相配合，可以得快的輸出信號(hào)，信號(hào)的上升和下降時(shí)間可以小于1ns，因此它可以用來(lái)作為時(shí)間測(cè)量。在高能物理實(shí)驗(yàn)中，閃爍計(jì)數(shù)器常用作定時(shí)（飛行時(shí)間TOF計(jì)數(shù)器），快事例選擇（觸發(fā)計(jì)數(shù)器，或?yàn)槊枸E儀中提供快邏輯信號(hào)），在量能器中，閃爍計(jì)數(shù)器往往是關(guān)鍵部件。3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理閃爍計(jì)數(shù)器中光電轉(zhuǎn)換3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理閃爍計(jì)數(shù)器中光電轉(zhuǎn)換器的前端讀出電子學(xué)

高能物理中閃爍計(jì)數(shù)器無(wú)機(jī)閃爍體：晶體，玻璃體常用的無(wú)機(jī)閃爍晶體有：NaI(Tl),CsI(Tl),BaF2,BGO等有機(jī)閃爍體：晶體、塑料和液體常用的有機(jī)閃爍晶體蒽（C14H10）,萘（C10H8）等閃爍計(jì)數(shù)器中常用的光電轉(zhuǎn)換器有：光電倍增管（PMT)光電二極管（PD)3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理閃爍計(jì)數(shù)器中光電轉(zhuǎn)換3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理閃爍計(jì)數(shù)器中光電轉(zhuǎn)換器的前端讀出電子學(xué)

光電倍增管PMT讀出前端電子學(xué)

PMT作為探測(cè)單元輸出部分在高能物理實(shí)驗(yàn)中有廣泛應(yīng)用:可接在量能系統(tǒng)中閃爍晶體之后；可作為RICH（環(huán)狀成像契侖科夫計(jì)數(shù)器）和飛行時(shí)間計(jì)數(shù)器TOF的輸出部分。無(wú)論用在何種情況，脈沖到達(dá)時(shí)間需要精確記錄，大多數(shù)情況下還需要記錄脈沖高度輸入信號(hào)經(jīng)前置放大之后分成二種不同增益的放大成形，其目的是為了得到很大動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)有較高能量分辨作為幅度測(cè)量，每次主時(shí)鐘將放大器輸出存儲(chǔ)在模擬存儲(chǔ)單元之中，事例一級(jí)判選之后選通進(jìn)入ADC前放信號(hào)經(jīng)過(guò)甄別，作為TAC的時(shí)間標(biāo)記信號(hào)，TAC輸出存儲(chǔ)在模擬存儲(chǔ)單元之中，事例一級(jí)判選之后選通進(jìn)入ADC甄別器另一路輸出作為一級(jí)觸發(fā)判選予處理器的輸入，經(jīng)處理后送到一級(jí)觸發(fā)判選系統(tǒng)3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理閃爍計(jì)數(shù)器中光電轉(zhuǎn)換3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理絲室讀出電路高能物理實(shí)驗(yàn)中絲室多絲室是一種氣體探測(cè)器。布有平行、等間隔一組陽(yáng)極絲的平面夾在二個(gè)陰極平面之間，組成了多絲室，室內(nèi)充滿一定氣壓的電離氣體。在陰極與陽(yáng)極之間加以電壓，當(dāng)帶電粒子通過(guò)多絲室時(shí)，產(chǎn)生電離，電子和正離子分別在電場(chǎng)作用下向陽(yáng)極和陰極運(yùn)動(dòng)，最后被收集。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，在電極上感應(yīng)出電流脈沖，這就是氣體探測(cè)器工作基本原理。通常電流脈沖信號(hào)從陽(yáng)極絲輸出，只有粒子通過(guò)的陽(yáng)極絲才有信號(hào)產(chǎn)生，因此多絲室可以用來(lái)定位，陽(yáng)極絲間的間隔一般在mm量級(jí)，因此定位精度也可以達(dá)到mm量級(jí)。如果陽(yáng)極與陰極之間電壓加得足夠高，在陽(yáng)極絲周圍形成很高電場(chǎng)，在電場(chǎng)作用下，電子進(jìn)入高場(chǎng)區(qū)（在陽(yáng)極絲周圍極小空間），電子動(dòng)能很大，因而會(huì)產(chǎn)生再電離，甚至雪崩式電離，使電荷量激倍增，即稱為氣體放大作用。在這種條件下，電極收集到的電荷量遠(yuǎn)比原始電荷量大得多。在一定電壓范圍內(nèi)，氣體放大倍數(shù)是常數(shù)，這樣組成的多絲室即為多絲正比室。多絲正比室不僅可以用來(lái)定位，也可以測(cè)量帶電粒子在室內(nèi)沉積的能量，作為dE/dx測(cè)量3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理絲室讀出電路3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理絲室讀出電路多絲室類型很多，如：多絲正比室（Multi-WireProportionalChamber)漂移室（DriftChamber)時(shí)間投影室(TimeProjectChamber)噴注室(JetChamber)時(shí)間擴(kuò)展室(TimeExpansionChamber)薄間隙室(ThinGapChamber)等等多絲室的主要參數(shù)為：?jiǎn)未魏投啻螕糁械奶綔y(cè)效率空間分辨和雙徑跡分辯死時(shí)間3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理絲室讀出電路3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理絲室讀出電路讀出電路絲室通常多作為位置探測(cè)，最簡(jiǎn)單為多絲正比室，其前端信號(hào)處理由放大器／甄別器（具有較低閾值）和鎖存電路等組成。TGC信號(hào)提取和模擬處理的放大、成形和甄別電路的原理框圖3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理絲室讀出電路3.3前端電子學(xué)系統(tǒng)

－ATLAS前端電子學(xué)系統(tǒng)ATLASμ子譜儀MuonDetectorsMuon.ToroidalMagnets3.3前端電子學(xué)系統(tǒng)

－ATLAS前端電子學(xué)系統(tǒng)ATLA示意圖3.3前端電子學(xué)系統(tǒng)

－ATLAS前端電子學(xué)系統(tǒng)示意圖3.3前端電子學(xué)系統(tǒng)

－ATLAS前端電子學(xué)系統(tǒng)高動(dòng)量的末態(tài)μ子是LHC上高能物理實(shí)驗(yàn)中最主要的物理信號(hào)之一ATLAS探測(cè)器中有一個(gè)高分辨μ子譜儀，μ子具有很強(qiáng)穿透能力。通常是基于在一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)系統(tǒng)中μ子徑跡的偏轉(zhuǎn)來(lái)測(cè)量它們的動(dòng)量和能量對(duì)撞機(jī)高能實(shí)驗(yàn)中探測(cè)器系統(tǒng)是4π空間范圍內(nèi)進(jìn)行探測(cè)，因而各種類型探測(cè)器在4π立體角內(nèi)布局。通常分為桶部和端蓋二部分，μ子譜儀也是按桶部和端蓋部分進(jìn)行布局。μ子譜儀位于整個(gè)ATLAS探測(cè)器系統(tǒng)的最外層，它包住了其它探測(cè)器。ATLASμ子譜儀簡(jiǎn)介ATLASμ子譜儀簡(jiǎn)介μ子譜儀有二大部分一部分是產(chǎn)生μ子徑跡偏轉(zhuǎn)的強(qiáng)磁場(chǎng)超導(dǎo)磁鐵系統(tǒng)，在ATLASμ子譜儀中有三個(gè)磁鐵系統(tǒng)，一個(gè)是用于桶部的μ子徑跡偏轉(zhuǎn)，另外二個(gè)用于兩個(gè)端蓋部分μ子徑跡偏轉(zhuǎn)；另一部分是測(cè)量μ子徑跡的探測(cè)器這些探測(cè)器分為二種類型：一類是用于在磁場(chǎng)主偏轉(zhuǎn)方向測(cè)量μ子徑跡座標(biāo)的精密μ子探測(cè)器，它們分別由MDT（監(jiān)測(cè)漂移管）和CSC（陰極條室）來(lái)完成另一類是主要用于觸發(fā)的觸發(fā)型探測(cè)器，它們主要用來(lái)提供觸發(fā)信息，同時(shí)提供非主偏轉(zhuǎn)方位的第二個(gè)徑跡座標(biāo)）。按不同部位觸發(fā)型探測(cè)器又分為二種，一種是位于桶部的，采用RPC（阻性板室），另一種位于端蓋部位的，采用TGC（薄間隙室）

ATLASμ子譜儀簡(jiǎn)介ATLASμ子譜儀簡(jiǎn)介μ子譜儀中觸發(fā)用的探測(cè)器LHC上質(zhì)子束團(tuán)對(duì)撞時(shí)間間隔為25ns，用來(lái)標(biāo)記哪一個(gè)束團(tuán)對(duì)撞產(chǎn)生的末態(tài)μ子，必須要求μ子譜儀中探測(cè)器時(shí)間分辨優(yōu)于25ns，而作為精密測(cè)量μ子動(dòng)量的徑跡的MDT和CSC，在時(shí)間分辨能力達(dá)不到這樣要求，因此μ子譜儀中必須安裝上時(shí)間分辨能力很好的探測(cè)器，專門用來(lái)確認(rèn)束團(tuán)（BunchCrossIdentification），這就是μ子譜儀中與精密測(cè)量探測(cè)器相配合的觸發(fā)探測(cè)器μ子譜儀中觸發(fā)用的探測(cè)器μ子譜儀中觸發(fā)用的探測(cè)器在ATLAS探測(cè)器μ子譜儀中在桶部采用阻抗板室（RPC），而在端蓋部分采用薄間隙室（TGC）。RPC是充氣平行板探測(cè)器，而TGC是工作在飽和模式下多絲正比室，它們的時(shí)間分辨均優(yōu)于5ns，兩個(gè)區(qū)域采用兩種不同探測(cè)器是出于不同的計(jì)數(shù)率，不同的本底條件、不同的空間分辨率要求和成本等諸多因素考慮。μ子譜儀中觸發(fā)用的探測(cè)器μ子譜儀中觸發(fā)用的探測(cè)器觸發(fā)探測(cè)器有三重目的：束團(tuán)的確認(rèn)，要求時(shí)間分辨優(yōu)于束團(tuán)間的時(shí)間間隔25ns在磁場(chǎng)中進(jìn)行橫動(dòng)量PT的切割（觸發(fā)甄別），要求探測(cè)器單元顆粒線度在1cm量級(jí)提供垂直于精密室測(cè)量方向的第二個(gè)座標(biāo)測(cè)量，典型的空間分辨為5~10mmμ子譜儀中觸發(fā)用的探測(cè)器μ子譜儀端蓋部分布局端蓋部分用TGC作為μ子觸發(fā)型探測(cè)器包括M1三層型TGC站和M2、M3兩個(gè)雙層型TGC站

μ子譜儀端蓋部分布局端蓋部分用TGC作為μ子觸發(fā)型探測(cè)器包括ATLAS

TGC前端讀出電子學(xué)綜述ATLASTGC前端讀出電子學(xué)綜述3-DPS-Pack3-DPS-PackTGC結(jié)構(gòu)TGC結(jié)構(gòu)TGC前端放大器、成形電路和甄別器TGC前端放大器、成形電路和甄別器高等核電子學(xué)6-3課件高等核電子學(xué)6-3課件高等核電子學(xué)6-3課件Patch-Panel結(jié)構(gòu)Patch-Panel結(jié)構(gòu)TGC前端讀出的組織結(jié)構(gòu)TGC前端讀出的組織結(jié)構(gòu)TGC前端讀出總體連接TGC前端讀出總體連接三層型（triplet）TGC緩沖存儲(chǔ)和解隨機(jī)器三層型（triplet）TGC緩沖存儲(chǔ)和解隨機(jī)器ATLAS電磁量能器ATLAS電磁量能器高等核電子學(xué)6-3課件ATLAS-電磁量能器讀出系統(tǒng)

ATLAS-電磁量能器讀出系統(tǒng)

一個(gè)量能器，其所要獲取的信息是末態(tài)粒子沉積在探測(cè)單元中的能量。反映在電子學(xué)電路中，即為輸出脈沖的幅度，在作用頻率很高的實(shí)驗(yàn)中（如ATLAS)，觸發(fā)系統(tǒng)滯后時(shí)間遠(yuǎn)大于作用周期時(shí)，對(duì)于模擬信號(hào)需要存儲(chǔ)一段時(shí)間，等待觸發(fā)判決結(jié)果來(lái)決定它的取舍，其前端讀出模塊中，必須有一個(gè)模擬存儲(chǔ)用來(lái)暫存模擬信號(hào)，ATLAS-電磁量能器前端讀出模塊就是其中一個(gè)例子ATLAS-電磁量能器前端讀出模塊一個(gè)量能器，其所要獲取的信息是末態(tài)粒子沉積在探測(cè)單元中的能量ATLAS-電磁量能器前端讀出模塊ATLAS-電磁量能器前端讀出模塊前端讀出模塊（FEM）包括以下幾種模板：帶精密脈沖源的校正板

前端板,完成：放大和成形模擬信號(hào)

將幾個(gè)探測(cè)單元信號(hào)模擬相加為TBB板提供信息

把模擬信號(hào)存儲(chǔ)成流水線模擬存儲(chǔ)器中，等待一級(jí)觸發(fā)系統(tǒng)取舍將選中事例信號(hào)數(shù)字化

通過(guò)光纖傳送數(shù)字信號(hào)到ROD（off-Detector）TBB板完成為觸發(fā)處理器提供觸發(fā)數(shù)據(jù)的予處理控制板：接收和分發(fā)主時(shí)鐘，一級(jí)觸發(fā)接收信號(hào)和其它同步信號(hào)接收和分發(fā)配置控制機(jī)箱內(nèi)各塊板的控制信息

ATLAS-電磁量能器前端讀出模塊ATLAS-電磁量能器前端讀出模塊高等核電子學(xué)6-3課件高等核電子學(xué)6-3課件高等核電子學(xué)6-3課件高等核電子學(xué)6-3課件高等核電子學(xué)6-3課件Overview-TGCReadOutSystemArchitectureArchitectureSlaveBoardStarSwitchReadOutDriverSlaveBoardBunchIdentificationLevel1BufferFirstDerandomizerLocalSlaveLinkDriverStarSwitchLocalSlaveLinkReceiverSparseDataScan15/18to1DataConcentratorFrontEndLinkDriverReadOutDriverFrontEndLinkReceiverOverview-TGCReadOutSystemA高等核電子學(xué)6-3課件高等核電子學(xué)6-3課件高能物理實(shí)驗(yàn)中觸發(fā)和數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)

高能物理實(shí)驗(yàn)中觸發(fā)和數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)第3節(jié)前端電子學(xué)系統(tǒng)前端電子學(xué)在數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)中的作用和組成作用：從探測(cè)單元提取信號(hào)，進(jìn)行放大、成形等模擬處理，經(jīng)過(guò)數(shù)字化，為數(shù)據(jù)獲取主系統(tǒng)提供事例信息，同時(shí)為觸發(fā)判選系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。位于數(shù)據(jù)源(即探測(cè)器)輸出端第3節(jié)前端電子學(xué)系統(tǒng)前端電子學(xué)在數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)中的作用和組成3.1前端電子學(xué)系統(tǒng)－作用和組成前端電子學(xué)在數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)中的作用和組成組成：信號(hào)處理單元包括前置放大，成形放大和甄別器等在高計(jì)數(shù)率情況下,不僅僅有信噪比方面要求，還有速度上要求，例如基線恢復(fù)等措施3.1前端電子學(xué)系統(tǒng)－作用和組成前端電子學(xué)在數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)中3.1前端電子學(xué)系統(tǒng)－作用和組成緩沖存儲(chǔ)單元為了提高對(duì)撞機(jī)的亮度，LHC對(duì)撞機(jī)的對(duì)撞周期為25ns，這意味著在每25ns產(chǎn)生一次作用，每次作用都有可能是需要記錄的事例，取舍與否決定于觸發(fā)判選系統(tǒng)。特別是第一級(jí)觸發(fā)系統(tǒng)，要在第一級(jí)觸發(fā)系統(tǒng)中完成一次觸發(fā)判選，判選時(shí)間達(dá)到2us，是對(duì)撞作用周期80倍，一次作用結(jié)果取舍必須等待80次作用之后才能決定。這就是為什么要有緩沖存儲(chǔ)單元的原因。3.1前端電子學(xué)系統(tǒng)－作用和組成緩沖存儲(chǔ)單元3.1前端電子學(xué)系統(tǒng)－作用和組成3.1前端電子學(xué)系統(tǒng)－作用和組成3.1前端電子學(xué)系統(tǒng)－作用和組成數(shù)字化電路包括甄別、ADC、TDC和地址編碼等，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量3.1前端電子學(xué)系統(tǒng)－作用和組成數(shù)字化電路數(shù)據(jù)通道零壓縮和數(shù)據(jù)緩沖事例內(nèi)篩選出有意義的通道，剔除無(wú)意義的通道數(shù)據(jù)，使每個(gè)事例所占有的字節(jié)數(shù)減少，來(lái)減小原始數(shù)據(jù)速率，即為數(shù)據(jù)通道零壓縮。通常采用DSP來(lái)完成。第一級(jí)觸發(fā)判選之后事例數(shù)據(jù)繼續(xù)需要被緩沖存儲(chǔ)，等待第二級(jí)觸發(fā)判選取舍的決定，同時(shí)起到解隨機(jī)的作用。3.1前端電子學(xué)系統(tǒng)－作用和組成數(shù)據(jù)通道零壓縮和數(shù)據(jù)緩沖3.1前端電子學(xué)系統(tǒng)－作用和組成3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理半導(dǎo)體探測(cè)單元信號(hào)處理

高能物理中半導(dǎo)體探測(cè)器半導(dǎo)體探測(cè)器早在上世紀(jì)七、八十年代已廣泛應(yīng)用在它具有極好的能量和空間分辨以及快的相應(yīng)時(shí)間，在廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)上是由高阻單晶硅材料制成的，目前還在研究體探測(cè)器，金剛石探測(cè)器也是有望可以開發(fā)的一種在高能物理中，以下列形式應(yīng)用：pixeldetector象素探測(cè)器microstripdetector“微條”探測(cè)器3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理半導(dǎo)體探測(cè)單元信號(hào)處3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理半導(dǎo)體探測(cè)器的示意圖3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理半導(dǎo)體探測(cè)器的示意圖3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理硅微條探測(cè)器工作原理3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理硅微條探測(cè)器工作原理3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理半導(dǎo)體探測(cè)器工作原理：電離粒子穿過(guò)探測(cè)器，沿著其徑跡產(chǎn)生電子–空穴時(shí)，電子–空穴對(duì)數(shù)正比于粒子在探測(cè)器內(nèi)的能量損失，探測(cè)器二端加上反偏的電場(chǎng)，使電荷對(duì)在復(fù)合之前由電極將其收集起來(lái)，在電荷收集過(guò)程中在電極上產(chǎn)生電流脈沖，其積分（即電荷）正比于粒子在探測(cè)器內(nèi)沉積的能量，通過(guò)電荷積分器和成形放大器將其讀出，其信號(hào)的幅度正比于電荷值，即正比于能量沉積。由于產(chǎn)生電荷對(duì)所需的能量只有3.6ev（硅半導(dǎo)體探測(cè)器），比氣體電離能（30ev）和閃爍計(jì)數(shù)器中從光電轉(zhuǎn)換器件的光陰極上拉出電子所需的能量（300ev）要小。另一方面，在硅中平均能量損失很高，大約390ev/μm，每μm產(chǎn)生110e-h對(duì)產(chǎn)額很高，因而使固有能量分辨很佳，在高能物理應(yīng)用中最佳厚度為300μm，電離粒子通過(guò)平均可以得到3.2×104e-h對(duì)。3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理半導(dǎo)體探測(cè)器工作原理3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理半導(dǎo)體探測(cè)器除有很高能量分辨之外,另一個(gè)特點(diǎn)是其空間分辨很好，這是因?yàn)楫?dāng)代半導(dǎo)體工藝使探測(cè)單元可以做得很小，集成密度很高。具體有以下特性：位置精度5μm雙徑跡分辨在10μm以下對(duì)于微條型探測(cè)器偏壓低于100v時(shí)間響應(yīng)小于5ns安裝相對(duì)比較簡(jiǎn)單對(duì)前端讀出電路的要求：低噪聲，高靈敏，快響應(yīng)，抗輻射，高計(jì)數(shù)率，低功耗，高集成度3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理半導(dǎo)體探測(cè)器除有很高3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理半導(dǎo)體探測(cè)器前端讀出電路包括：前置放大器（一般為電荷靈敏放大器）成形放大器甄別器和甄別閾設(shè)置電路3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理半導(dǎo)體探測(cè)器前端讀出3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理閃爍計(jì)數(shù)器中光電轉(zhuǎn)換器的前端讀出電子學(xué)

閃爍計(jì)數(shù)器被廣泛用于核物理和高能粒子物理實(shí)驗(yàn)中。它是利用某些化合物在帶電粒子通過(guò)或光激發(fā)后能發(fā)射短的光脈沖特性，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換器件將其轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)。電脈沖信號(hào)的電荷量一般正比于閃爍體發(fā)射的光產(chǎn)額，即正比于粒子沉積在閃爍體中能量，因此它可以用來(lái)測(cè)量粒子的能量?？祉憫?yīng)閃爍體與快光電轉(zhuǎn)換器件相配合，可以得快的輸出信號(hào)，信號(hào)的上升和下降時(shí)間可以小于1ns，因此它可以用來(lái)作為時(shí)間測(cè)量。在高能物理實(shí)驗(yàn)中，閃爍計(jì)數(shù)器常用作定時(shí)（飛行時(shí)間TOF計(jì)數(shù)器），快事例選擇（觸發(fā)計(jì)數(shù)器，或?yàn)槊枸E儀中提供快邏輯信號(hào)），在量能器中，閃爍計(jì)數(shù)器往往是關(guān)鍵部件。3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理閃爍計(jì)數(shù)器中光電轉(zhuǎn)換3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理閃爍計(jì)數(shù)器中光電轉(zhuǎn)換器的前端讀出電子學(xué)

高能物理中閃爍計(jì)數(shù)器無(wú)機(jī)閃爍體：晶體，玻璃體常用的無(wú)機(jī)閃爍晶體有：NaI(Tl),CsI(Tl),BaF2,BGO等有機(jī)閃爍體：晶體、塑料和液體常用的有機(jī)閃爍晶體蒽（C14H10）,萘（C10H8）等閃爍計(jì)數(shù)器中常用的光電轉(zhuǎn)換器有：光電倍增管（PMT)光電二極管（PD)3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理閃爍計(jì)數(shù)器中光電轉(zhuǎn)換3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理閃爍計(jì)數(shù)器中光電轉(zhuǎn)換器的前端讀出電子學(xué)

光電倍增管PMT讀出前端電子學(xué)

PMT作為探測(cè)單元輸出部分在高能物理實(shí)驗(yàn)中有廣泛應(yīng)用:可接在量能系統(tǒng)中閃爍晶體之后；可作為RICH（環(huán)狀成像契侖科夫計(jì)數(shù)器）和飛行時(shí)間計(jì)數(shù)器TOF的輸出部分。無(wú)論用在何種情況，脈沖到達(dá)時(shí)間需要精確記錄，大多數(shù)情況下還需要記錄脈沖高度輸入信號(hào)經(jīng)前置放大之后分成二種不同增益的放大成形，其目的是為了得到很大動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)有較高能量分辨作為幅度測(cè)量，每次主時(shí)鐘將放大器輸出存儲(chǔ)在模擬存儲(chǔ)單元之中，事例一級(jí)判選之后選通進(jìn)入ADC前放信號(hào)經(jīng)過(guò)甄別，作為TAC的時(shí)間標(biāo)記信號(hào)，TAC輸出存儲(chǔ)在模擬存儲(chǔ)單元之中，事例一級(jí)判選之后選通進(jìn)入ADC甄別器另一路輸出作為一級(jí)觸發(fā)判選予處理器的輸入，經(jīng)處理后送到一級(jí)觸發(fā)判選系統(tǒng)3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理閃爍計(jì)數(shù)器中光電轉(zhuǎn)換3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理絲室讀出電路高能物理實(shí)驗(yàn)中絲室多絲室是一種氣體探測(cè)器。布有平行、等間隔一組陽(yáng)極絲的平面夾在二個(gè)陰極平面之間，組成了多絲室，室內(nèi)充滿一定氣壓的電離氣體。在陰極與陽(yáng)極之間加以電壓，當(dāng)帶電粒子通過(guò)多絲室時(shí)，產(chǎn)生電離，電子和正離子分別在電場(chǎng)作用下向陽(yáng)極和陰極運(yùn)動(dòng)，最后被收集。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，在電極上感應(yīng)出電流脈沖，這就是氣體探測(cè)器工作基本原理。通常電流脈沖信號(hào)從陽(yáng)極絲輸出，只有粒子通過(guò)的陽(yáng)極絲才有信號(hào)產(chǎn)生，因此多絲室可以用來(lái)定位，陽(yáng)極絲間的間隔一般在mm量級(jí)，因此定位精度也可以達(dá)到mm量級(jí)。如果陽(yáng)極與陰極之間電壓加得足夠高，在陽(yáng)極絲周圍形成很高電場(chǎng)，在電場(chǎng)作用下，電子進(jìn)入高場(chǎng)區(qū)（在陽(yáng)極絲周圍極小空間），電子動(dòng)能很大，因而會(huì)產(chǎn)生再電離，甚至雪崩式電離，使電荷量激倍增，即稱為氣體放大作用。在這種條件下，電極收集到的電荷量遠(yuǎn)比原始電荷量大得多。在一定電壓范圍內(nèi)，氣體放大倍數(shù)是常數(shù)，這樣組成的多絲室即為多絲正比室。多絲正比室不僅可以用來(lái)定位，也可以測(cè)量帶電粒子在室內(nèi)沉積的能量，作為dE/dx測(cè)量3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理絲室讀出電路3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理絲室讀出電路多絲室類型很多，如：多絲正比室（Multi-WireProportionalChamber)漂移室（DriftChamber)時(shí)間投影室(TimeProjectChamber)噴注室(JetChamber)時(shí)間擴(kuò)展室(TimeExpansionChamber)薄間隙室(ThinGapChamber)等等多絲室的主要參數(shù)為：?jiǎn)未魏投啻螕糁械奶綔y(cè)效率空間分辨和雙徑跡分辯死時(shí)間3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理絲室讀出電路3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理絲室讀出電路讀出電路絲室通常多作為位置探測(cè)，最簡(jiǎn)單為多絲正比室，其前端信號(hào)處理由放大器／甄別器（具有較低閾值）和鎖存電路等組成。TGC信號(hào)提取和模擬處理的放大、成形和甄別電路的原理框圖3.2前端電子學(xué)系統(tǒng)－探測(cè)單元信號(hào)處理絲室讀出電路3.3前端電子學(xué)系統(tǒng)

－ATLAS前端電子學(xué)系統(tǒng)ATLASμ子譜儀MuonDetectorsMuon.ToroidalMagnets3.3前端電子學(xué)系統(tǒng)

－ATLAS前端電子學(xué)系統(tǒng)ATLA示意圖3.3前端電子學(xué)系統(tǒng)

－ATLAS前端電子學(xué)系統(tǒng)示意圖3.3前端電子學(xué)系統(tǒng)

－ATLAS前端電子學(xué)系統(tǒng)高動(dòng)量的末態(tài)μ子是LHC上高能物理實(shí)驗(yàn)中最主要的物理信號(hào)之一ATLAS探測(cè)器中有一個(gè)高分辨μ子譜儀，μ子具有很強(qiáng)穿透能力。通常是基于在一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)系統(tǒng)中μ子徑跡的偏轉(zhuǎn)來(lái)測(cè)量它們的動(dòng)量和能量對(duì)撞機(jī)高能實(shí)驗(yàn)中探測(cè)器系統(tǒng)是4π空間范圍內(nèi)進(jìn)行探測(cè)，因而各種類型探測(cè)器在4π立體角內(nèi)布局。通常分為桶部和端蓋二部分，μ子譜儀也是按桶部和端蓋部分進(jìn)行布局。μ子譜儀位于整個(gè)ATLAS探測(cè)器系統(tǒng)的最外層，它包住了其它探測(cè)器。ATLASμ子譜儀簡(jiǎn)介ATLASμ子譜儀簡(jiǎn)介μ子譜儀有二大部分一部分是產(chǎn)生μ子徑跡偏轉(zhuǎn)的強(qiáng)磁場(chǎng)超導(dǎo)磁鐵系統(tǒng)，在ATLASμ子譜儀中有三個(gè)磁鐵系統(tǒng)，一個(gè)是用于桶部的μ子徑跡偏轉(zhuǎn)，另外二個(gè)用于兩個(gè)端蓋部分μ子徑跡偏轉(zhuǎn)；另一部分是測(cè)量μ子徑跡的探測(cè)器這些探測(cè)器分為二種類型：一類是用于在磁場(chǎng)主偏轉(zhuǎn)方向測(cè)量μ子徑跡座標(biāo)的精密μ子探測(cè)器，它們分別由MDT（監(jiān)測(cè)漂移管）和CSC（陰極條室）來(lái)完成另一類是主要用于觸發(fā)的觸發(fā)型探測(cè)器，它們主要用來(lái)提供觸發(fā)信息，同時(shí)提供非主偏轉(zhuǎn)方位的第二個(gè)徑跡座標(biāo)）。按不同部位觸發(fā)型探測(cè)器又分為二種，一種是位于桶部的，采用RPC（阻性板室），另一種位于端蓋部位的，采用TGC（薄間隙室）

ATLASμ子譜儀簡(jiǎn)介ATLASμ子譜儀簡(jiǎn)介μ子譜儀中觸發(fā)用的探測(cè)器LHC上質(zhì)子束團(tuán)對(duì)撞時(shí)間間隔為25ns，用來(lái)標(biāo)記哪一個(gè)束團(tuán)對(duì)撞產(chǎn)生的末態(tài)μ子，必須要求μ子譜儀中探測(cè)器時(shí)間分辨優(yōu)于25ns，而作為精密測(cè)量μ子動(dòng)量的徑跡的MDT和CSC，在時(shí)間分辨能力達(dá)不到這樣要求，因此μ子譜儀中必須安裝上時(shí)間分辨能力很好的探測(cè)器，專門用來(lái)確認(rèn)束團(tuán)（BunchCrossIdentification），這就是μ子譜儀中與精密測(cè)量探測(cè)器相配合的觸發(fā)探測(cè)器μ子譜儀中觸發(fā)用的探測(cè)器μ子譜儀中觸發(fā)用的探測(cè)器在ATLAS探測(cè)器μ子譜儀中在桶部采用阻抗板室（RPC），而在端蓋部分采用薄間隙室（TGC）。RPC是充氣平行板探測(cè)器，而TGC是工作在飽和模式下多絲正比室，它們的時(shí)間分辨均優(yōu)于5ns，兩個(gè)區(qū)域采用兩種不同探測(cè)器是出于不同的計(jì)數(shù)率，不同的本底條件、不同的空間分辨率要求和成本等諸多因素考慮。μ子譜儀中觸發(fā)用的探測(cè)器μ子譜儀中觸發(fā)用的探測(cè)器觸發(fā)探測(cè)器有三重目的：束團(tuán)的確認(rèn)，要求時(shí)間分辨優(yōu)于束團(tuán)間的時(shí)間間隔25ns在磁場(chǎng)中進(jìn)行橫動(dòng)量PT的切割（觸發(fā)甄別），要求探測(cè)器單元顆粒線度在1cm量級(jí)提供垂直于精密室測(cè)量方向的第二個(gè)座標(biāo)測(cè)量，典型的空間分辨為5~10mmμ子譜儀中觸發(fā)用的探測(cè)器μ子譜儀端蓋部分布局端蓋部分用TGC作為μ子觸發(fā)型探測(cè)器包括M1三層型TGC站和M2、M3兩