高能物理实验中的高精度时间测量方法研究

摘要

时间是物质运动和存在的基本属性之一,精密的时间作为科学研究、科学实验和工程技术诸方面的基本物理参量,为一切动力学系统和时序过程的测量和定量研究提供了必不可少的时基坐标.对日常生活来说,对时间的概念一般精确到分钟就足够了,即使在卫星导航应用方面,测量到纳秒也完全满足需要.然而在很多大型物理实验中,时间间隔测量作为一种重要的鉴别和探测手段,对测量的精度要求非常严格(到ps量级),如何提高时间测量的精度成为物理学家孜孜以求的目标.随着科学技术的进展,许多精确测量时间的方法被陆续提出,比如电流积分技术、计数器技术、模拟放大技术、内插技术等等,其中内插技术是获得ps量级测量精度的主要手段.该论文对新近发展起来并已经较为成熟的DLL+RC延迟的两级时间内插方案进行了一系列研究,以CERN微电子组研制的HPTDC芯片作为这种内插方案的代表,我们分析了该方案所能达到的设计指标,然后根据实际测得的参数提出了两种提高精度的措施.为了验证我们的研究的正确性,参考北京谱仪三期重大改造工程BES Ⅲ中飞行时间电子学(TOF)测量的精度需求,我们设计了验证电路并进行了一系列的测试.第一章从两个大型物理实验中高精度时间测量应用场合的例子出发,介绍了在时间测量方法发展过程中比较重要的技术,讨论的重点放在时间分辨和动态范围两个方面,功耗也是一个值得注意的因素.第二章描述了时间-数字转换电路(TDC)中常用的技术指标,比如INL和DNL,这些指标刻画了TDC的性能,是限制TDC精度的主要因素.同时,这一章简要分析了TDC电路中动态误差的各种来源.第三章分析了高能物理实验对TDC性能的特殊需求,并介绍了几个应用于高能物理实验的TDC的研究成果.第四章介绍基于DLL+RC延迟的两级时间内插方案的典型代表-HPTDC芯片.该章首先计算了采用DLL+RC内插所能取得的理论精度,然后介绍了该芯片的结构、各部分功能和使用方法.第五章根据TDC电路固有的INL误差提出了两种提高精度的方法,一种是INL修正,一种是同步时间放大.该章详细叙述了两种方案的实现途径.第六章首先介绍BES Ⅲ中主漂移室(MDC)和TOF两个时间测量场合所需要的测量精度,然后根据TOF的测量需求分析TOF的测量过程,提出验证电路设计的参考技术指标,并结合TOF的具体应用详细介绍了包括峰值检测器在内的一系列软硬件的设计.第七章讲述了验证电路的测试方案、测试过程以及测试结果,并对测试结果进行定性或定量的分析.从结果来看,验证电路能达到预期的设计指标,说明我们围绕DLL+RC内插的时间测量方案的一系列研究是成功的.第八章介绍了时间测量方法的一些最新进展,结束语部分简要总结该论文的工作.

目录

文摘

英文文摘

致谢

第一章时间测量方法概述

§1.1绪论

§1.2大型物理实验中时间测量举例

§1.2.1固定靶实验和对撞实验

§1.2.2激光测距实验

§1.3基本的时间测量方法

§1.3.1电流积分技术

§1.3.2计数器技术

§1.4增加分辨率的措施

§1.4.1时间放大

§1.4.2时间内插技术

§1.5小结

参考文献

第二章TDC性能参数和噪声分析

§2.1TDC主要性能参数

§2.1.1微分非线性DNL

§2.1.2积分非线性INL

§2.1.3增益误差

§2.1.4偏移

§2.2动态误差源分析

§2.2.1量化噪声

§2.2.2时钟信号的相位噪声

§2.2.3电源噪声

§2.2.4其他噪声源

§2.2.5偏移变化

§2.3转换器校准

§2.4小结

参考文献

第三章适合高能物理实验的TDC

§3.1高能物理实验中TDC的性能需求分析

§3.1.1大的动态范围

§3.1.2不同的测量精度

§3.1.3良好的线性特征

§3.1.4多次击中能力

§3.1.5多通道和低功耗

§3.1.6灵活的触发方式

§3.1.7方便的监测和控制

§3.1.8抗噪声的电路设计

§3.2适合高能物理实验的TDC

§3.2.1 CERN的HRTDC芯片

§3.2.2 ACAM公司的TDC-FI芯片

§3.2.3 CERN的HPTDC芯片

§3.3小结

参考文献

第四章两级内插数据驱动型TDC介绍

§4.1数据驱动型时间测量芯片HPTDC

§4.1.1 DLL和RC内插的精度计算

§4.1.2 HPTDC的功能及结构介绍

§4.1.3 HPTDC的使用

§4.2小结

参考文献

第五章改进TDC测量精度的方法研究

§5.1修正TDC芯片的INL提高精度

§5.1.1码密度测量方法

§5.1.2 INL修正原理

§5.1.3 INL修正数据格式处理

§5.2时间放大方案提高测量精度

§5.2.1同步放大方案的基本原理

§5.2.2同步放大方案的数据处理

§5.2.3同步放大方案的不足之处

§5.3小结

参考文献

第六章时间测量方法验证电路的设计

§6.1 BES Ⅲ中的时间测量

§6.1.1主漂移室MDC的时间测量

§6.1.2 TOF时问测量

§6.2 TOF时间测量过程

§6.2.1信号形成

§6.2.2信号放大

§6.2.3时间检出

§6.2.4时间测量

§6.2.5数据读出

§6.3验证电路设计

§6.3.1系统参数确定

§6.3.2系统总体框架

§6.3.3系统硬件设计

§6.3.4系统软件设计

§6.4小结

参考文献

第七章测试结果和分析

§7.1验证系统的测试平台搭建

§7.2前放的测量结果及分析

§7.2.1单端转移曲线

§7.2.2前放的上升时间

§7.2.3前放的噪声性能

§7.3 HPTDC的校准

§7.3.1 DLL校准

§7.3.2 RC校准

§7.4有关HPTDC的测试结果及分析

§7.4.1微分非线性测试

§7.4.2积分非线性测试

§7.4.3 INL修正

§7.4.4精度测试

§7.5时间放大电路测试结果及分析

§7.6幅度-时问转换电路测试结果及分析

§7.6.1误差扫描

§7.6.2INL和DNL

§7.6.3出错概率估计

§7.7 VME读出系统带宽测试

§7.8小结

参考文献

第八章当前的技术进展

§8.1时间测量方案的新进展

§8.1.1时问放大+延迟内抓的时间测量方法

§8.1.2新型游标延迟线(VDL)实现方法

§8.1.3基于RSFO的高速计数器技术

§8.1.4基于FPGA的时间测量方法

§8.2小结

参考文献

结束语

附录A信号产生器6U插件外观

附录B 验证电路双宽6U插件外观

攻读学位期间发表的学术论文