大型重离子对撞实验(A Large Ion Collider Experiment,ALICE)是专门研究夸克胶子等离子体(QGP)的大型实验装置,对了解早期宇宙的演化非常重要,其中高能光子是最重要的QGP探针之一。ALICE探测器上的光子谱仪(Photon Spectrometer,PHOS)就是专门探测高能光子的高精度量能器。光子谱仪的噪声水平决定了量能器的探测精度,研究光子谱仪电子学的噪声对提高量能器的探测精度具有十分重要的意义。光子谱仪对有效光子入射事例的筛选能力直接影响实验的探测效率与实验数据的有效性,光子谱仪触发电路及算法的研究与实现对提高探测器的有效事例筛选能力起着至关重要的作用。 雪崩光电二极管(APD)的性能直接影响电磁量能器的探测精度,对APD光电转换增益的研究对电磁量能器至关重要。本文设计了PHOS探测器实验平台,并利用该平台测试和分析了PHOS和EMCal两种不同的电磁量能器所选用的雪崩光电二极管(APD)的性能。得出了PHOS探测器采用的APD在相同偏置电压下具有较低的增益,但增益随偏压变化的稳定性更高,为探测器偏置电压的控制精度分析与设计提供了必要的实验依据。 电子学噪声是影响探测器性能的主要因素之一。热噪声,散粒噪声,1/f噪声,有耗介质噪声是PHOS探测器电子学噪声的主要来源,直接影响了PHOS探测器的能量和时间分辨率。本文详细分析了PHOS探测器电子学各部分关键器件和电路产生的噪声及影响噪声大小的决定因素。通过分析APD、电荷灵敏前置放大电路(CSP)和整形电路(SHAPER)的主要噪声构成及量化噪声对系统噪声的影响,提出了PHOS电子学噪声的计算方法,得出决定PHOS电子学噪声的主要因素是APD暗电流产生的散粒噪声,为提高PHOS探测器能量与时间分辨率和探测器电子学的升级提供必要的理论依据。 触发产生电路是探测器必不可少的部分,探测器高效的触发效率为物理学家提供更多的有效数据。PHOS探测器属于ALICE探测器中最快速的探测器之一,负责为ALICE中央触发系统(Central Trigger Processor,CTP)提供快速的区域性level-0,level-1触发信号,以便CTP产生全局的触发信号。本文提出了用于产生PHOS探测器level-0触发的两种算法:直接比较算法和权重相加算法,以及用于level-1触发产生的算法:单光子触发,碰撞中心度触发,高中低阈值触发算法。并通过分析触发算法的输入信号(Analog-Or信号)的波形函数对触发算法进行了仿真,为PHOS探测器触发的实现提供了有效的实现方法。而后通过对PHOS探测器触发区域控制单元(Trigger Region Unit,TRU)电路板上的FPGA固件的设计,完成了PHOS探测器level-0,level-1触发的产生,显著提高了PHOS探测器的触发效率。并且依据触发算法设计了处理PHOS探测器level-0和level-1触发的FPGA固件,该成果已经被成功应用于ALICE/PHOS探测器,获得了稳定的探测器触发信号。
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