大型物理实验装置高精度时间同步技术研究

摘要

在大型物理实验装置中，时钟和定时系统之于整个实验系统，如同人体的血液循环系统对于人体。时钟和定时系统是整个物理实验的基本必要条件。
　　 设计时钟和定时系统的难点是保证时钟长期、短期的稳定度和准确度、降低和控制通道间的时钟偏差，并且能够自动地对各个通道的传输延迟进行补偿，以消除环境等不可控因素带来的影响。通过使用驯化高精度的原子钟、锁相环等技术保证时钟的稳定度和准确度；而为了补偿时钟或者定时信号的传输延迟随温度等动态的漂移变化，就要构建时钟的环形回路。
　　 WhiteRabbit协议通过精确时钟同步协议和数字双混频时差法相结合，实现了对时钟在环形回路传输延迟的高精度地连续测量，然后利用这个测量结果就可以实现对传输延迟的动态调整补偿。但是，数字双混频时差法会固有地产生亚稳态的问题，增加了测量的不确定度。通过应用基于FPGA的高精度时间数字转换器、多次平均测量和选取合适的放大系数等措施，有效地降低了测量的不确定度，从而改进了数字双混频时差法。此外，将WhiteRabbit协议基于同步以太网的复杂的节点网络结构可以精简为简单的星型结构，可以降低系统复杂度。精简和改进后的WhiteRabbit协议就能够满足很多物理实验的需求。
　　 未来计划在羊八井建设的大型高海拔大气簇射宇宙线天文台的水契伦科夫探测阵列的时钟系统要求分布的时钟的抖动小于100皮秒，通道间的时钟偏差小于100皮秒。而且，考虑到水切伦科夫探测器阵列分布的范围巨大、通道数的众多和野外恶劣的自然环境中，时钟和定时系统提出了特别苛刻的要求，这为验证精简和改进的WhiteRabbit协议提供了很好的舞台。
　　 本论文第一章介绍衡量时钟和定时系统的性能的指标，随后介绍了一些大型物理实验对时钟和定时系统的要求。
　　 第二章调研了国内外一些大型物理实验装置的时钟系统和时间同步的方法，分析了这些时钟和定时系统的优缺点。
　　 第三章调研了现有的成熟的时间同步方法和协议，分析了这些时间同步方法和协议的优缺点。
　　 第四章首先研究了WhiteRabbit协议的原理，然后提出了精简和改进的WhiteRabbit协议的原理。
　　 第五章提出了时钟原型系统的设计方案，然后介绍了时钟原型系统的测试内容。测试结果表明：时钟接收模块的时钟抖动小于40皮秒；在时钟传输的光纤长度不同而且光纤温度变化的情况下，时钟接收模块两个通道间的时钟偏差小于70皮秒。
　　 第六章为本论文的总结和展望。在展望部分介绍了时钟原型系统的三通道测试结果，分析了实验结果，提出了可能的改进方法。