ATLAS Muon谱仪一期更新中tRPC探测器的时间数字转换系统的研究与设计

摘要

超环面仪器(ATLAS)是欧洲核子研究中心(CERN)大型强子对撞机LHC(Large Hadron Collider)的七大探测器之一。主要用于探测并研究希格斯玻色子、Top夸克属性以及β衰变中的 CP破坏线索等物理现象。2012年夏季，ATLAS与CMS分别探测到了希格斯玻色子无疑给从事这方面研究的物理学家们一个极大的鼓舞。为了进一步提高ATLAS的探测能力，ATLAS合作组决定利用LHC在未来几年的两次停机时间对 ATLAS进行硬件方面的升级，分别命名为 ATLAS第一期升级与ATLAS第二期升级。
　　本文以介绍ATLAS缪子谱仪第一期的主要内容为出发点：首先介绍了缪子谱仪第一期升级中新型阻性板室对时间数字转换系统的要求；然后利用 CERN微电子小组提供的HPTDC芯片的模拟代码对HPTDC在信号时间处理方面进行了模拟，通过模拟的方式寻找到了 HPTDC芯片满足 tRPC探测器对信号处理时间要求的合理参数设置；设计研制了一款HPTDC与GOL芯片测试电路板，并利用该电路板完成了HPTDC信号处理时间的硬件测试；同时完成了HPTDC与GOL的功能测试，为时间数字转换系统的设计提供了实验依据；最后详细地介绍了时间数字转换系统的设计以及初步测试结果。论文的各章节安排如下：
　　第一章简要地介绍了欧洲核子研究中心大型强子对撞机以及ATLAS探测器的结构，并对ATLAS缪子谱仪第一期升级项目的内容做了概述。同时介绍了本文工作的研究背景以及研究内容，即研究并设计满足tRPC探测器要求的时间数字转换系统。
　　第二章介绍了时间数字转换电路的常用性能参数以及比较典型的时间数字转换技术，其中包括计数法、时间幅度转换法、模拟时间放大法、“粗”“细”时间相结合法、时间标记式时间数字转换等，并对各种转换技术的优缺点进行了讨论。在高能物理实验中，目前比较流行的时间数字转换技术为时间标记式时间数字转换电路，其中以HPTDC为典型代表。该技术实现的转换电路不仅可以满足实验的精度要求，同时也可以满足实验上多次连续测量以及较短的信号处理时间的要求。
　　第三章详细地介绍了 CERN微电子小组设计的高精度的时间数字转换芯片 HPTDC，该芯片将被用于时间数字转换系统中。根据 tRPC探测器对时间数字转换系统的信号处理时间要求，利用微电子小组提供的HPTDC Verilog模拟代码分别对HPTDC的不同内部核心时钟、HPTDC与 tRPC探测器输出通道之间的不同连接方式、同时获取事例信号的读出条个数以及HPTDC的不同测量模式等，进行了信号处理时间方面的模拟研究。通过对模拟结果的分析，提出了HPTDC合理的参数设置：即为满足tRPC探测器360 ns-435 ns信号处理时间的要求，HPTDC内部核心时钟设置为80 MHz，HPTDC与tRPC探测器的输出通道之间采用交替连接的方式，并采用前沿测量模式或前沿与脉冲宽度测量模式。
　　第四章描述了用于HPTDC与GOL芯片的测试电路板的设计以及HPTDC信号处理时间的硬件测试。首先对测试电路板的设计原理以及功能做了简要概述，然后利用 Xilinx KC705 FPGA开发板搭建了测试平台，并对测试中所使用的程序模块做了详细地介绍。最后利用测试平台，完成了HPTDC工作在不同内部核心时钟、不同连接方式、不同测量模式等方面的信号处理时间的硬件测试。通过对硬件测试结果与模拟结果的对比发现，两者基本符合，从而验证了模拟中寻找到的HPTDC参数设置的合理性。
　　第五章首先详细地介绍了 GOL芯片的功能与配置，并利用第四章中研制的 HPTDC与GOL测试电路板完成了对HPTDC与GOL两款芯片的功能测试，包括HPTDC信号处理能力的测试、非线性测试、时间精度测试、运行温度测试、GOL功能测试等。根据各个测试结果，验证了 HPTDC无论在信号处理能力方面还是非线性以及时间精度方面均可以满足 tRPC探测器的需求。同时也验证了GOL芯片与HPTDC芯片可以协同工作。
　　第六章详细地描述了时间数字转换系统的设计与研制。根据 BIS7/8项目给予时间数字转换系统的安装空间以及通道数要求，提出了转换系统采用母板与子卡相结合的设计方案，并对方案中涉及的各个模块的设计做了详细地介绍。根据设计方案，完成了时间数字转换系统的研制。利用Xilinx公司生产的KC705与AC701 FPGA开发板搭建了转换系统的测试平台，完成了时间数字转换系统的初步测试，包括FEAST芯片输出电压的测试、子卡中HPTDC的非线性的测试以及时间精度测试等。测试结果显示，FEAST芯片输出电压可以满足转换系统2.5 V与3.3 V的电压需求，HPTDC的微分与积分非线性均小于1 LSB，同时其时间测量精度也可以满足tRPC探测器的小于600 ps的精度要求。
　　第七章对研究工作进行了总结，并对未来工作进行了展望。

目录

声明

第一章 大型强子对撞机与ATLAS探测器

1.1 强子对撞机简介

1.2 ATLAS探测器简介

1.3 ATLAS缪子谱仪第一期升级

1.4 论文的主要研究内容和结构

第二章 时间数字转换电路的方法及理论

2.1 时间数字转换电路的原理

2.2 时间数字转换电路的主要参数

2.3 时间数字转换电路的常用方法

2.4 本章小结

第三章 HPTDC芯片简介以及信号处理时间模拟

3.1 HPTDC时间测量原理

3.2 HPTDC在ATLAS缪子谱仪一期更新项目中的应用

3.3 tRPC探测器数据读出的时间要求

3.4 HPTDC信号处理时间的定义

3.5 HPTDC信号处理时间的模拟

3.6 本章小结

第四章 HPTDC芯片信号处理时间的硬件测试

4.1 HPTDC与GOL测试电路板

4.2 HPTDC信号处理时间硬件测试的设置

4.3 HPTDC芯片的配置

4.4 KC705功能模块

4.5 HPTDC信号处理时间的硬件测试

4.6 两种设想情况的模拟与硬件测试

4.7 本章小结

第五章 HPTDC与GOL的功能测试

5.1 GOL简介

5.2 HPTDC、GOL芯片的功能测试

5.3 本章小结

第六章 tRPC探测器时间数字转换系统的设计、研制与测试

6.1 tRPC探测器数据读出系统概述

6.2 时间数字转换系统的设计

6.3 时间数字转换系统中母板与子卡简介

6.4 时间数字转换系统的初步测试

6.5 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

在学期间的科研成果

致谢