HIRFL CSR外靶实验T0探测器读出中的TDC技术研究

摘要

重离子物理是原子核物理研究的重要领域，重离子加速器是进行重离子物理研究的最重要实验装置之一。兰州重离子加速器(Heavy Ion Research Facility inLanzhou，HIRFL)是我国规模最大的重离子实验装置，建成以来，取得了如新核素合成，原子核质量测量，癌症治疗等重大科研成果，使我国跻身重离子物理研究的国际先进行列。
　　HIRFL冷却储存环(Cooling Storage Ring，CSR)外靶实验主要研究方向为核物质状态方程研究，放射性束物理研究以及超核研究。T0探测器是CSR外靶实验中的重要组成部分，其由一系列多气隙电阻板室(Multi-gap Resistive PlateChamber，MRPC)组成。T0探测器位于外靶实验装置的最前端，放射性束流打靶后产生的带电粒子通过MRPC，与MRPC内部的工作气体发生相互作用，从而产生探测器信号，通过对MRPC探测器信号进行高精度时间测量，可得到放射性束流打把的时间信息，从而为其他的子探测器系统提供精确的时间起点。
　　本论文针对CSR外靶实验T0探测器的性能指标与应用需求，进行了时间数字变换技术的研究，并具体实现了时间数字变换模块的设计，本论文的内容安排如下:
　　第一章主要介绍了HIRFL CSR外靶实验背景，以及T0探测器系统的整体结构和性能指标要求。
　　第二章首先介绍了主流的时间数字变换技术(Time-to-Digital Conversion)，包括模拟型TDC与数字型TDC两大类。并着重介绍了基于现场可编程门阵列（Field Programable Gate Array，FPGA）的时间数字变换器(TDC)设计技术。在T0探测器读出电子学中，为简化系统复杂度，提高应用灵活性，最终选用FPGATDC作为设计方案。
　　第三章首先介绍了T0探测器时间数字变换模块的整体结构，再对其中的关键电路进行了详细的说明，主要包括单通道双沿时间测量方法，以及基于内容寻址存储器(Content Addressable Memory，CAM)的触发匹配(Trigger Match)技术。在单个FPGA中成功集成24个时间测量通道及对应的Trigger Match功能模块。
　　第四章介绍了设计完成的时间数字变换模块的测试结果，主要包括非线性测试，时间测量精度测试以及触发匹配功能测试，测试结果表明在单片FPGA内成功集成24路TDC通道，并且时间测量精度达到25 ps RMS，此外，Trigger Match工作正常，设计完成的TDC模块满足应用需求。
　　第五章对本论文进行总结，并对下一步工作进行了展望。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 HIRFL CSR外靶实验

1．2 外靶实验T0探测器系统

1．3 本章小结

参考文献

第2章 物理实验中的时间数字变换技术

2．1 模拟型TDC技术

2．1．1 TAC+ADC型TDC

2．1．2 Wilkinson型TDC

2．2 数字型TDC技术

2．2．1 flash型TDC

2．2．2 Vernier TDC

2．2．3 Σ-Δ TDC

2．2．4 流水线(Pipeline)型TDC

2．2．5 逐次逼近(Successive Approximation)型TDC

2．2．6 脉冲收缩(Pulse-Shrinking)型TDC

2．3 基于FPGA的TDC

2．3．1 时钟分相位FPGA TDC

2．3．2 脉冲收缩(Pulse Shrinking)FPGA TDC

2．3．3 级联延时链(Tapped Delay Line，TDL)FPGA TDC

2．3．4 Vernier FPGA TDC

2．3．5 Vernier延时链(Vernier Delay Line，VDL)FPGA TDC

2．3．6 Wave Union FPGA TDC

2．4 本章小结

参考文献

第3章 T0探测器时间数字变换模块设计

3．1 设计方案与整体结构

3．2 关键电路的实现

3．2．1 时间测量模块

3．2．2 自触发及触发匹配模块

3．2．3 时钟模块

3．2．4 数据传输模块

3．3 本章小结

参考文献

第4章 时间数字变换模块测试

4．1 时间数字变换性能测试

4．1．1 测试板设计

4．1．2 测试平台

4．1．3 非线性测试

4．1．4 时间精度测试

4．2 自触发与触发匹配功能测试

4．2．1 自触发模块功能测试

4．2．2 触发匹配模块功能测试

4．3 本章小结

参考文献

第5章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

攻读学位期间发表及待发表的学术论文

致谢