第二十講 時間測量方法

第二十講時間測量方法第1頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2011-05-04中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

2時間測量技術(shù)在物理實驗中的使用高精度時間測量……幅度/電荷測量VTC+TDC波形采集QTC+TDCTOT……第2頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月HPTDC在粒子物理實驗中的應(yīng)用TOF讀出電子學(xué)系統(tǒng)和Monitor控制/讀出BESIII2011-05-043中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

第3頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2011-05-04中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

4TOFReadoutSystemArchitecture352barrelpreamplifiers,16endcappreamplifierboardwith6channelsingroupTwoVME64xPCrates14FEEModules14FEE_RearModules1Fast_ControlModule1ClockModule1PowerPCcontrollercard1TOFMonitorModulelocatedinonly1crate第4頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2011-05-04中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

5Barrel&EndCapPreampilifer第5頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2011-05-046BarrelTOFFEEVME9Ucard16channels/moduleDualdisc.withleadingtimemeasurementNon-gatedQTCforchargemeasurementMeantimerprocessforfasttriggerinformation中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

第6頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月定時甄別電路作用確定代表某事例發(fā)生的信號出現(xiàn)的精確時刻，或者說將一個物理事例的模擬信號轉(zhuǎn)換為一個具有時間信息的數(shù)字邏輯信號常見形式前沿定時采用高速比較器，將輸入信號與一個預(yù)置的閾值進(jìn)行比較，以比較器輸出信號的前沿作為信號出現(xiàn)的時刻電路簡單，定時精確，但存在著“幅度-時間游動”效應(yīng)（TimeWalk）過零定時和恒比定時電路比較復(fù)雜，不利于大規(guī)模的粒子物理實驗應(yīng)用，一般多用于較小規(guī)模的核物理實驗2011-05-047中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

第7頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月雙閾甄別的前沿定時高閾（HL）和低閾（LL）甄別器對同一信號進(jìn)行甄別低閾甄別器輸出信號經(jīng)過適當(dāng)延遲后與高閾甄別器的輸出信號符合只有高于高閾的信號，符合電路才有輸出目的：利用高閾來剔除噪聲和干擾信號同時又保持低閾甄別的時間信息2011-05-048中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

第8頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2011-05-04中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

9PrincipalSchemeoftheNon-gatedQTCConsistsofabipolarty-to-unipolarityOPAMP,aconstantcurrentsource,anintegrator,andadiscriminatorwithadjustablethresholdSimilartothegatedintegrator&dischargerbutdiffersfromthelatterforAlwaysdischargewithconstantcurrentAbsenceofanalogousswitchingelements第9頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2011-05-04中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

10TimingDiagramofNon-gatedQTCS.B.Liu,C.Q.Feng,L.F.Kang,etc.

NIMA621(2010)513–518第10頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2011-05-0411EndcapTOFFEESimilartothebarreloneNoneedformeantimerThedifference中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

第11頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2011-05-04中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

12HPTDC在BESIIITOFMonitor應(yīng)用4路EPL.1S(PMT經(jīng)放大)輸入通道（其中兩個備份）2路EPL.0S(LVDS)輸出（Monitor模式下替代觸發(fā)L1）1路EPL.0S(LVDS)輸入（時鐘）8路EPL.00(TTL)輸出通道（實用6路，其余備份）4路EPL.00(TTL)輸入、2路雙向通道（備用）第12頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2011-05-04中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

13TOF讀出電子學(xué)在BESIII中的安裝安裝檢測探測器電纜安裝后測試及老化第13頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2011-05-04中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

14TimePrecisionofFEE“CableDelayTest”isconstructedHistogramthetimedifferenceofpulsepairswithafixeddelayTheoveralltimeresolutionis23.84ps,whichmeanstheprecisionofsinglechannelis16.86ps

Includingthecontributionofpreamplifiers,longcables,FEE,etc.第14頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月Res.ofsinglechn:17psTOF前端電子學(xué)的時間測量精度LIUShubin,FENGChangqing,YANHan,etc.

NuclearScienceandTechniques21(2010)49–53ShubinLiu,ChangqingFeng,QiAn,etc.

IEEETNS,VOL.57,NO.2(2010),

419-427ChangqingFeng,ShubinLiu,QiAn,etc.

IEEETNS,VOL.57,NO.2(2010),463-4662011-05-0415中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

第15頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2011-05-04中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

16ChargeMeasurementofFEEATEK3251actsasthesignalsourceOutputthestimulatingsignalwaveformsaccordingtothePMTpulsetemplateAmplitudeincreaseswiththestepof20mVDynamicrangecoversfrom180mVto5V(afterpreamplifier),withthemaximumrelativemethodicalerrorlessthan0.3%第16頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月TOT(TimeOverThreshold)輸出信號同時包含了時間和電荷信息脈沖前沿直接高速甄別，代表粒子到達(dá)信息經(jīng)積分成型或放大等處理后的后沿代表電荷信息優(yōu)點(diǎn)無須ADC等，節(jié)省功耗前端電子學(xué)輸出即為數(shù)字信號，節(jié)省昂貴的模擬電纜2011-05-0417中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

第17頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月TOT應(yīng)用（1）應(yīng)用范例：ALICE@LHCSTAR@RHICTOFupgradeofBESIII……2011-05-0418中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

第18頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2011-05-04中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

19NINOinALICETOFBlockdiagramofoneTRMmodulewith192channels第19頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2011-05-04中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

20NINOinSTARTOFThetop-leveldiagramoftheTOFelectronicsTheMRPCdigitizationboard“TDIG”第20頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2011-05-04中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

21BESIII端蓋TOF升級方案前放（NINO）位于探測器每側(cè)端蓋36個MRPC前放模塊負(fù)責(zé)一個MRPC模塊的24路輸出數(shù)字化插件（TDIG）位于后端每個TDIG負(fù)責(zé)72路NINO的前、后沿時間測量需要9片HPTDC符合產(chǎn)生擊中信息送TOFTrigger插件需要相應(yīng)后插模塊和并串轉(zhuǎn)換及電光轉(zhuǎn)換插件接口至目前的TOFTrigger插件總共需要24個TDIG插件大量NINO輸出需要經(jīng)過長電纜傳輸?shù)?1頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月BESIII端蓋TOF升級方案2011-05-04中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

22第22頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月TOT應(yīng)用（2）其他SFE16將應(yīng)用于蘭州重離子加速器改造冷儲存環(huán)外靶實驗Milagro實驗WCDA讀出電子學(xué)中的TOT2011-05-0423中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

第23頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月TOT應(yīng)用（3）QTCforSuper-K可能的應(yīng)用——LHAASO之WCDA讀出電子學(xué)？2011-05-0424中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

第24頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月LHAASOProject根據(jù)探測器陣列所探測粒子的相對到達(dá)時間重建宇宙線大氣簇射前鋒面和入射角度WCDA讀出電子學(xué)時間測量精度500ps，KM2A讀出電子學(xué)時間測量精度1ns2011-05-0425中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

第25頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2011-05-04中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

26WaterCherenkovDetectorSensitivetocosmicgammaraysMaintainingtheall-sky,high-duty-factorcapabilitiesofanEASarray4pondseachwiththeareaof2.25x104m2Eachwillbefilledwithpurifiedwater900PMTswillbedeployedunderthewaterofeachpondForatotalof3600PMTsandcorrespondingreadoutelectronicsHamamatusR5912employedinDayaBayexperimentisthecandidatetype第26頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2011-05-04中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

27TheRequirementofElectronicsDigitalizingtheaccuratearrivaltimeoftheselectedshowersBoththetimingandpulseheightofeachPMTisimportant0.5nstimeresolutionforleadingedgetimemeasurementAwidedynamicrangeof1~4000PEsforpulseheightmeasurementAtriggerdecisionmustbemadetoselectshowersClockandcalibrationsystemsareessentialDistributingthelargenumberofsignalsoverthelongdistance(~100m)isanissuePre-AmplifierorFront-endprocesscircuitisneeded第27頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月SketchofElectronics2011-05-04中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

28第28頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2011-05-04中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

29ThreeCandidateSchemesTraditionalschemeSimilarlywithDayaBayExperiment’selectronics,withtheadditionalPre-amplifierThematureschemeMuchpowerconsumptionandexpensebecauseoftheADCsTOTschemeAdoptedbyMilagrito/MilagroandtheplannedHAWCexperimentTheTDCmarkseachtimethatapulsecrossesavoltagethresholdwithaedgeLowerpowerconsumptionandexpensefortheabsenceofADCsWaveformSamplingandDigitizerschemeASICsofDRS4,LABRADOR(TARGET2)areoptions第29頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2011-05-04中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

30TOTSchemeThecablefromPMTcomesoutofthepondandgoesintotheFrontEndBoards(FEB)ThesignalfromeachPMTissplitandsenttohighgainandlowgainchargeamplifiers,followedbyapairofdiscriminatorswithdifferentPEthresholdsTheleadingedgegivesthepulse’sarrivaltimeinformation,andthetimewhichtheamplifiedPMTsignalspendsoverthelow/highthresholdrepresentsthechargeofthesignalTheFEBaccommodateseveralneighboringPMTs’processcircuitsThedigitalsignalscarrytheinformationofthepulsestothedigitalboardviaalongribboncable第30頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2011-05-04中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

31ConceptofTOTThepulseheightofasignalfromPMTisproportionaltothestoredchargecausedbyphotoelectronsAPMTpulsedeliversachargewhichchargesacapacitorThecapacitorthendischargesasthatinasimpleRCcircuitTheleadingedgegivesthetimeinformationandthelengthofthepulsegivesthelogarithmofthecharge第31頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2011-05-04中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

32TheConceptualSimulationforTOT第32頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2011-05-04中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

33TheConceptualSimulationforTOTThetimeoverthresholdisproportionaltothelogarithmofthePEnumberSmallsignalwithlittleamountPEsresultsintherelativelylargeerrorAmplificationandlowthresholddiscriminatorforsmallsignalareessentialWhileamplificationforlargesignalwillleadtosaturation第33頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2011-05-04中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

34TwoSeparateThresholdsDiscriminatorConceptAsmallpulsefromthePMTcanpassonlythelowthreshold,andthusitonlyproducestwocrossingedgetimesAlargesignalcanfireboththelowthresholdandthehighthresholdtogenerate4edgecountsintheTDCThedelaysinthecircuitensureafixedtimeinterval(~25ns)betweenthelowandhighthresholdoutputs第34頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2011-05-04中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

35TheAdvantagesofDualThresholdTOTAchievethewidedynamicrangeofchargemeasurementThesignalswhicharelargeenoughintendtosaturatethehighgainamplifierAlleviatetheinfluenceofPre-pulsingAlargePMTpulsewithsufficientlylargeamountPEsincreasestheincidenceofpre-pulsingwhichaffectsthelowTOTvalueaswellasthelowstarttimeHigh-startslewingisnotinfluencedbypre-pulsing,sousingthehigh-startslewingwheneveritispossibleisalwaysthefirstchoiceDifferentiatebetweenoverlappingpulsesandareallargepulseAlongpulsewillneverbemistakenforalargesignalifthehighthresholddoesnotfire第35頁，課件共37