面向ATLAS Phase-Ⅱ升级部分探测器前端电子学测试平台的研究

摘要

位于瑞士和法国交界处的大型强子对撞机(LHC)作为目前世界上最大的粒子对撞机，自从2008年开始运行以来取得了许多重大的科研成果，如发现了希格斯玻色子等。由于LHC中各个探测器在运行中不断受到辐照损伤，以及预计的对撞亮度的提升将使得其事例数超出目前其探测器的电子学系统的处理能力，LHC总共规划Phase-0至Phase-2三次重大的升级与更新计划。本论文工作主要为LHC超环面仪器实验(ATLAS)探测器的液氩量能器与像素探测器的Phase-Ⅱ升级相关的部分前端电子学测试平台研究工作。
　　内部探测器的升级作为ATLAS探测器Phase-Ⅱ升级最重要的内容之一，其将可能会使用高压CMOS工艺作为其传感器工艺之一，相应的预研工作正在紧密的进行。为了验证这种工艺能够在探测效率和抗辐照损伤这些重要参数上是否满足像素探测器Phase-Ⅱ升级的需求，必然要对其进行大量的电子学测试和束流测试工作以验证其可靠性。面向此测试需求，本论文设计了一个模块化的，基于为ATLAS升级研究的通用前端数据采集系统“前端链路交换系统”(Front-End LInk eXchang，FELIX)的一个像素探测器束流测试平台。目前该像素探测器束流测试系统已于2015年11月正式开始使用，完成了多款AMS(Austria MikroSysteme)180nm工艺的像素探测器原型芯片的束流测试工作，确定了其辐照前后的探测效率与时间响应等重要参数。且从2016年9月开始应用于AMS350nm工艺的像素探测器验证芯片的束流测试工作。
　　液氩量能器部分将在Phase-Ⅱ升级中使用全新的前端电子学板(FEB-2)，耐辐照ADC的研究为设计制造FEB-2工作的重要工作组成部分。在进行相应耐辐照ADC专用集成电路(ASIC)芯片设计的同时，需要选择一些能够通过辐照测试验证的商用ADC作为其备份芯片。针对商用ADC耐辐照性能测试这一需求，设计了一套用于多通道高速ADC耐辐照性能测试的测试平台。目前该ADC耐辐照性能测试平台已经用于第一批候选的商用多通道ADC，德州仪器公司的ADS52J90与ADI公司的AD9249的耐辐照性能测试工作。其中总剂量效应测试在美国布鲁克海文国家实验室的固态伽玛辐照设施中进行，辐照源为一个活度为700居里的60Co伽玛源，测试时的辐照剂量率约为10KRad(Si)每小时;单粒子效应测试在美国麻省总医院内用于肿瘤治疗的质子治疗中心中进行，用于进行辐照测试的质子能量为216MeV。辐照测试结果验证了该ADC耐辐照性能测试平台的通用性与可靠性，首次确定了这两片商用ADC的耐辐照性能指标。
　　此外，液氩量能器合作组在Phase-Ⅱ升级计划中提出了一种将所有FEB-2将要使用的电子学模块（如前放、ADC等）集成到一块芯片“前端片上系统”(Front-End System on Chip，FE-SOC)上的构想。目前FE-SOC的各个模块的预研工作正在各个研究单位同时进行，其中前放成形电路部分的原型ASIC有BNL研制的8通道前放成形芯片HLC1，以及法国Omega/LAL组研制的8通道前放ASIC芯片LAUROC。针对这两种多通道前放成型ASIC的测试需求，设计了一个通用的可以对这两种前放ASIC芯片进行电子学以及耐辐照性能测试的测试平台。对该平台的测试结果表明，其能够满足LAUROC芯片以及HLC1芯片的电子学以及耐辐照性能测试的需求。
　　本论文的创新点表现在以下几方面:
　　1)设计了一套能够同时运行与配置待测待测像素探测器、对像素探测器读出芯片（FE-I4B）进行控制与读出、且同时对整个束流测试Telescope的6个IBL双芯片像素探测器模块进行数据读出的像素探测器束流测试平台。为ATLAS探测器Phase-Ⅱ升级中可能使用的高压CMOS像素探测器提供了测试手段。使用这套束流测试系统，ATLAS像素探测器合作组首次确定了使用AMS公司180nm高压CMOS工艺设计的AMS180Vx系列小尺寸像素探测器原型芯片的探测效率等重要参数，直接推动了使用该工艺进行全尺寸验证芯片的研究工作。
　　2)像素探测器束流测试平台使用了ATLAS升级将使用的通用前端数据采集方案“前端链路交换系统”(Front-End LInk eXchange，FELIX)作为其数据采集方案，将束流测试系统的数据带宽上限从以往的千兆以太网级别或者USB通讯级别直接提升到了100Gbps(24Links×4.8Gbps)级别。
　　3)针对ATLAS探测器Phase-Ⅱ升级中液氩量能器部分前端电子学读出板的抗辐照需求，设计了一个多通道ADC耐辐照性能测试平台。使用此平台测试了两款新型商用多通道ADC:德州仪器公司的ADS52J90与ADI公司的AD9249的抗辐照性能。

目录

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摘要

图目录

表目录

第1章 绪论

1．1 高能物理简介

1．1．1 宇宙线实验

1．1．2 加速器实验

1．2 大型强子对撞机

1．2．1 物理目标

1．2．2 加速器结构

1．2．3 探测器组成

1．2．4 重大物理成果

1．2．5 升级计划

1．3 ATLAS探测器

1．3．2 升级规划

1．4 本文主要内容

第2章 电子学测试平台需求分析

2．1 硅像素探测器束流测试

2．1．1 ATLAS像素探测器简介

2．1．2 ATLAS像素探测器的可插入B层

2．1．3 ATLAS像素探测器Phase-Ⅱ升级

2．1．4 高压CMOS工艺简介

2．1．5 待测HVCMOS传感器

2．1．6 测试需求分析

2．1．7 硅像素探测器束流测试平台需求总结

2．2 液氩量能器前端电子学测试

2．2．1 液氩量能器简介

2．2．2 液氩量能器前端电子学升级计划

2．2．3 现有读出电子学的限制

2．2．4 Phase-Ⅱ前端电子学升级

2．2．5 ADC抗辐照性能测试需求

2．2．6 FE-SOC电子学测试需求

2．3 本章小结

第3章 像素探测器束流测试平台

3．1 系统方案选择

3．2 束流测试平台系统框架

3．3 束流测试平台硬件设计

3．3．1 控制读出板

3．3．2 前端芯片板

3．3．3 束流平台读出卡

3．4 测试平台FPGA固件设计

3．4．1 FE-I4B配置

3．4．2 像素探测器配置

3．4．3 FE-I4B数据接口

3．4．4 ADC数据采集

3．4．5 光链路连接

3．4．6 慢控制实现

3．5 像素探测器束流测试软件算法

3．5．1 FE-I4B参数调节

3．5．2 阈值调整算法改进

3．5．3 AMS180v4阈值调节

3．6 束流测试数据采集实现

3．6．1 FELIX概念

3．6．2 FELIX硬件组成

3．7 束流测试平台集成

3．7．1 束流测试数据获取

3．7．2 束流测试触发信号分发

3．7．3 系统时钟同步

3．7．4 束流测试慢控制链路

3．8 电子学测试

3．8．1 控制读出板测试

3．9 本章小结

第4章 液氩量能器升级前端电子学测试平台

4．1 商用ADC耐辐照性能测试系统

4．1．1 待测试多通道商用ADC

4．1．2 辐照测试方法

4．1．3 ADC耐辐照测试平台整体结构

4．1．4 测试平台硬件组成

4．1．5 辐照测试FPGA固件设计

4．1．6 辐照测试用户软件

4．1．7 测试平台电子学测试

4．2 LAr FESOC专用集成电路测试系统

4．2．1 FESOC测试需求

4．2．2 FESOC测试平台总体结构

4．2．3 前端测试板FETB

4．2．4 数据采集板

4．2．5 前端子卡

4．2．6 电子学测试

4．3 本章小结

第5章 前端电子学测试平台的应用

5．1 像素探测器束流测试

5，1．1 束流测试设施

5．1．2 束流测试现场设置

5．1．3 像素探测器参数调节性能测试

5．1．4 AMS180V4时间响应性能

5．1．5 AMS180V4示踪效率

5．1．6 像素探测器束流测试结果小结

5．2 商用ADC辐照测试

5．2．1 总剂量效应测试

5．2．2 单粒子效应测试

5．2．3 辐照测试结果分析

5．2．4 ADC辐照测试总结与评估

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文