（物理电子学专业论文）大亚湾中微子实验rpc电子学原型机读出插件的研制.pdf

摘要 摘要 大亚湾( d a y ab a y ) 反应堆中微子振荡实验中的本底主要来自于宇宙射线。 在实验中，我们采用水契伦克夫探测器和r p c 探测器实现宇宙线本底排除。本 文主要介绍的是由r p c 探测器，f e c ，原型机读出插件和上位机组成的r p c 探测器电子学小系统模型的规划、实现以及现场测试结果的分析和总结，包括 该原型机的设计构想，硬件结构以及f p g a 内部逻辑的实现。 r p c 探测器的每个模块由4 层每层排布8 个感应条的r p c 构成。每个r p c 模块产生的模拟信号通过3 2 个感应条由前端电子学板( f r o n t e n d c a r d ，f e c ) 读出。f e c 将3 2 道信号进行甄别转换成数字信号并在数据中加上时间标记，然 后按照本地触发逻辑给出相应的触发信号。触发信号经过触发插件( r p ct r i g g e r m o d u l e ， r t m ) 处理后被送回f e c 以决定是否保留并传输该事例的数据。被 传输的数据经过读出插件( r e a d o u tm o d u l e ，r o m ) 通过v m e 总线传输给数 据获取系统( d a q ) 以作进步的处理。在这个过程中，触发信号和数据的长 距离传输由读出传输插件( r e a d o u tt r a n s c e i v e r ，r o t ) 完成。 原型机读出插件( r o m u s b ) 是r p c 探测器及f e c 工程复制和安装过程 中的测试和调试工具。r o 胙u s b 从结构上与r o m 相似，区别在于r o m u s b 与上位机的接口是u s b 总线而不是r o m 的v m e 总线，而且r o m u s b 不通 过r o t 直接对f e c 进行测试。r o m u s b 侧重的是用简单方便的方法对f e c 的各项性能进行测试。在小系统模型中，r o m u s b 代替r o t ，r o m 和r t m ， 负责整个数据传输，触发判选和数据采集工作。同时，r o m u s b 可以根据上 位机端的软件设置，实现f e c 单一功能到整体功能的全面检测。鉴于r o m u s b 原型机的设计要求和需要现场工作的特点，其设计的要点是稳定性、抗干扰性 能和各种测试功能的实现。 2 0 0 8 年1 2 月在高能物理研究所进行了r _ p c 探测器电子学小系统模型的现 场工作测试。测试期间r o m u s b 成功地完成了f e c 功能测试和稳定性测试， 接受了探测器现场复杂环境的考验。r o m u s b 收集并记录的实验数据为r p c 探测器的工作效率和f e c 质量测试的结果提供了分析依据。这些实验数据经过 后期分析，还可以进一步的建立粒子击中探测器的三维轨迹模型。 关键词：d a y ab a y , r p c 探测器读出插件原型机f p g a ，u s b ，l v d s a b s t r a c t a b s t r a c t c o s m i cr a y sa r et h ec e n t r a lb a c k g r o u n dn o i s eo fd a y ab a yr e a c t o ra n t i n e u t r i n o e x p e r i m e n t t h ew a t e rc e r e n k o vd e t e c t o ra n dt h er p cd e t e c t o ra r eu s e di nt h e e x p e r i m e n tt or e j e c tc o s m i cr a y sb a c k g r o u n dn o i s ee f f e c t i v e l y t m sp a p e rd e s c r i b e s t h ep l a n ，r e a l i z a t i o na n dt h ea n a l y s i so ft h et e s ti nf i e l do ft h er p cd e t e c t o r e l e c t r o n i c sp r o t o t y p em o d l ew h i c hi sm a d eu pb yr p cd e t e c t o r , f e c ，r e a d o u t m o d u l ef o rp r o t o t y p ea n dt h ec o m p u t e r t h ed e s i g no ft h er e a d o u tm o d u l ef o r p r o t o t y p e ( r o m u s b ) o fr p cd e t e c t o r e l e c t r o n i c so fd a y ab a yr e a c t o r a n t i n e u t r i n oe x p e r i m e n tw i l lb ei n t r o d u c t e d ，i n c l u d i n gt h es y s t e ma r c h i t e c t u r e ，t h e h a r d w a r es t r u c t u r ea n dt h el o g i cd e s i g no ft h ef p g ao nt h er o m o u s b e a c hm o d u l eo fr p cd e t e c t o ri sm a d eu pb yf o u rl a y e r sw h i c hh a se i g h t c h a n n e l s n e3 2c h a n n e la n a l o gs i g n a l so ne a c hr p cd e t e c t o ra r er e a do u tb yo n e f e cb o a r d ( f r o n t e n d c a r d ，f e c ) i nt h ef o r mo fm o d u l a r i z a t i o n t h ef e c t r a n s l a t et h e s ea n a l o gs i g n a l si n t od i g i t a ls i g n a l sa n dg i v eo u tt h et i m es t a m p ，t h e t r i g g e rs i g n a l sa r eg i v e no u tb yt h et r i g g e rl o g i co nb o a r d a f t e rt r e a t m e n to fr _ p c t r i g g e rm o d u l e ( r p ct r i g g e rm o d u l e ，r t m ) t h e s et r i g g e rs i g n a l sa r es e n d b a c kt o f e ct od e c i d et or e c e i v et h ed a t ao rn o t t h ed a t aa r er e a do u tb yr e a d o u tm o d u l e ( r e a d o u tm o d u l e ，r o m ) o nv m eb i nt od a qf o rf u r t h e rt r e a t m e n t d u r i n gt h i s p r o c e s s ，t h el o n gd i s t a n c et r a n s m i s s i o no ft r i g g e rs i g n a l sa n dd a t ai sr e a l i z e db y r e a d o u tt r a n s c e i v e r ( r e a d o u tt r a n s c e i v e r , r o t ) 。 t h er o m u s bi st h et e s ta n dd e b u g g i n gt o o lo ft h er p cd e t e c t o r sa n dt h ec o p y a n di n s t a l l a t i o n p r o je c t o ff e c r o m u s bi ss i m i l a rt or o m ，t h ed i f f e r e n c e b e t w e e nt h e mi st h ei n t e r f a c e ，t h er o m - u s bi n t e r f a c et oc o m p u t e ri st h eu s bb u s w h i l et h er o mi n t e r f a c ei st h ev m eb u s a n o t h e rd i f f e r e n c eb e t w e e nt h e mi st h e r o m u s bc a nc o n n e c tt of e cw i t h o u tr o tw h i c hr o mm u s tw o r kw i t h r o m u s bp l a c e se x t r ae m p h a s i so nt h es i m p l ew a yt ot e s tf e ci nm a n yf i e l d s i n t h ep r o t o t y p em o d l e r o m u s bw h oi n s t e a do fr o t , r o ma n dr t mi si nc h a r g e o fd a t at r a n s m i s s i o n ，t r i g g e rs e l e c t i o na n dd a t ac o l l e c t i o n i nt h es a m et i m e ， r o m u s bc a nr e a l i z e o n l yo l l e o rf u l lt e s to ff e cf o rd i f f e r e n ts e t t i n g sf r o m s o f t w a r e t h ed e s i g no fr o m u s bm u s tb ev e r ys t e a d y , a n t i - j a m m i n ga n dc a n r e a l i z ea l lt h et e s tr e q u e s t i o n so ff e ca c c o r d i n gt ot h er e q u e s t i o n so ff i e l dt e s t t h er p cd e t e c t o re l e c t r o n i c sp r o t o t y p et a k e st h ef i e l dt e s ta ti h e po nd e c e m b e r , l i a b s t r a c t 2 0 0 8 d u r i n gt h et e s t ，r o m u s bs u c c e s s f u l l yc o m p l e t e dt h ef e cf u n c t i o n a lt e s t i n g a n ds t a b i l i t yt e s t i n g ，a c c e p t a n c eo ft h ed e t e c t o rf i e l dt e s to fc o m p l e xe n v i r o n m e n t s t h ee x p e r i m e n t a ld a t aw h i c hc o l l e c t t e da n dr e c o r db yr o m u s bp r o v i d e st h e a n a l y t i c a lb a s i sf o rt h er p cd e t e c t o re f f i c e n c ya n dt h eq u a l i t yo f t e s tr e s u l t s a f t e r t h el a t t e ra n a l y s i st h e s ee x p e r i m e n t a ld a t ac a na l s os e tu pt h ef u r t h e rd e t e c t o r t h r e e d i m e n s i o n a lt r a j e c t o r ym o d e lo fp a r t i c l e sh i t k e yw o r d s ：d a y ab a y ，r p cd e t e c t o r ，r e a d o u tm o d u l ef o rp r o t o t y p e ，f p g a ，u s b ， l v d s 1 1 1 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除己特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均己在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名： 之茎曼 7 钳肌日 第1 章引言 第1 章引言 1 1大型粒子物理实验读出电子学的研究近况 随着粒子加速器和粒子探测器技术的不断创新，粒子物理领域在世界上一些 科技强国在不断地向前发展。与此同时，作为物理实验中探测器系统的重要组成 部分，即用于对高能微观粒子在与物质反应中所产生的大量电信号进行获取和包 括d a q 、o n l i n e 、s l o w - c o n t r o l l e r 和t r i g g e rs y s t e m 在内的整个高能物理电子学系统， 也在不断的快速向前发展。 当今大型物理中的高能加速器对撞实验有两种发展趋势。其一为向更高工作 能量发展，在高能量下寻找新粒子，发现新现象。这以正在欧洲核子中心( c e r n ) 建造中的大型强子对撞机l h c 为代表。l h c 以寻找标准模型中的h i g g s 粒子和探 索新物理为目标。其二为高精度前沿，即在某一特定能量下提高对撞亮度，产生 大量的某类粒子，被形象地称之为粒子工厂，使用高分辨率探测器进行细致精确 的测量，以检测现有模型发展新理论。这其中有已经建成的以研究c p 破坏为主 要目标的p e pi i b a b a r 和k e kb b e l l 两座b 介子工厂以及d a o n e k l o e 介子 工厂，目前已经升级改造完成的北京正负电子对撞机( b e p ci i ) 及其探测器北 京谱仪【1 】( b e s i i i ) 也属于这一高精度行列。 在高精度粒子探测前沿，要求加速器不断朝更高能量，更大亮度的方向发展， 对探测器的精度要求越来越高，使得探测器结构越来越复杂。传统的模拟电路测 量系统已经难以满足以上要求，而数字化技术以其稳定性、灵活性、高速度、体 积小、低成本等特点成为高速读出电子学系统发展的新方向。 随着高能加速器亮度的提高，读出电子学系统要处理的信息量大为增加，因 而对于数据采集系统提出更高要求： 1 被测信号速度的提高对数据采集系统的速度指标提出了越来越高的要求： 高能物理加速器的束流信号，时间精度在几十皮秒；高能物理中的飞行计数器的 探测器通常由快发光塑料闪烁体和快光电倍增管组成，可以做到1 0 0 p s l 勺时间分 辨率。如果要准确探测高速核信号，必需有采样率足够高的数据采集系统。 2 对信号的分辨率和波形的甄别能力提出更高的要求，而且要求使信号的 信噪比和时间精度得到提高。 3 数据传输技术。随着探测器的不断发展，所需要的电子学系统越来越庞 大，读出电子学通道数以万计，甚至达到几十万，上百万路电子学通道。如此高 速、大流量的数据传输要求使用最先进的数据传输技术。 第l 章引言 1 ，2 大亚湾中微子振荡实验中f p g a 技术的应用 中微子物理是当今粒子物理，天体物理与宇宙学的交叉。在s u p e r - k ，s n o 与 k a m l a n d 实验发现中微子振荡后，人们认识到这是发现粒子物理标准模型之 外新物理的突破口与关键。用中微子实验精确测量酿，已经成为国际粒子物理实 验的热点。为此，中国的高能物理学家提出了大亚湾中微子实验，并得到了国际 上中微子物理学家们的大力支持，成立了大亚湾实验国际合作组。通过测量距反 应堆不同距离处的中微子数量，可以精确地推算出中微子混合角鼠，。该项目已 经获得了国家的经费支持，确定了包括探测器、读出电子学、数据获取等方案在 内的一套完整的设计方案。大亚湾中微子实验计划在2 0 1 0 年初建成并开始运行。 大亚湾实验的目的是为了精确测量中微子混合角q ，对探测器和读出电子学 的精度提出了很高的要求，设计上有较大的难度。在对信号的实现精确测量方面 达到了目前国际上大型物理实验的领先水平。大亚湾实验采用的近点和远点的设 计方法就是针对上面的设计要求而采用的，减少系统误差的重要措施。同时，大 亚湾实验对数据采集系统的存储能力，接口能力以及抗干扰能力也提出了更高的 要求，事实上，高能物理电子学发展的最大特点是把数字电路和相应的数字信号 的处理放到了前端( 在或近探测器处) ，从而使过去的模拟信号传输发展为数字 信号的传输( 大型探测器可以长达约3 5 米，如果模拟信号在其中绕行，可能要5 0 米以上，特别容易受到干扰) 。数字信号放在前端带来的要求是要低功耗、小体 积，所以在设计上使用原有的小规模集成电路是不可能的。在这种情况下，a s i c 和f p g a 技术应运而生。 众所周知，用中、小规模元器件和d s p 可以实现逻辑控制和数据处理功能， 但很难满足系统集成化的要求，高速高密度的现场可编程逻辑阵列( f i e | d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，f p g a ) 使得系统设计变得简单可行。f p g a 是一种新 型高性能的可编程器件，其器件密度最高可达数千万门，可以完成极其复杂的时 序和组合逻辑电路功能。 f p g a 是在p a l 、g a l 、e p l d 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。 它是作为专用集成电路( a s i c ) 领域中的一种半定制电路而出现的，容量大、性 能高、成本相对低廉，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电 路有限的缺点。自从f p g a 在约二十年前出现以来，它已经通过将门数提高了三 个数量级而侵占了a s i c 的主导地位。利用f p g a 进行设计的一个重要原因是市场 上存在着大量以i p ( 知识产权) 形式呈现的预先设计好电路模块，设计工程师可以 取得使用许可证并将其集成到他们自己的系统中。 f p g a 的使用非常灵活，同一片f p g a 通过不同的编程数据可以产生不同的电 路功能。内部资源可配置的灵活性、使得f p g a 在通信、数据处理、网络、仪器、 2 第1 章引言 工业控制、军事和航空航天等众多领域得到了广泛应用。随着功耗和成本的进一 步降低，f p g a 还将进入更多的应用领域。 如何实现快速的时序收敛、降低功耗和成本、优化时钟管理并降低f p g a 与 p c b 并行设计的复杂性等问题，一直是采用f p g a 的系统设计工程师需要考虑的 关键问题。如今，随着f p g a 向更高密度、更大容量、更低功耗和集成更多口的 方向发展，系统设计工程师在从这些优异性能获益的同时，不得不面对由于f p g a 前所未有的性能和能力水平而带来的新的设计挑战。 1 3 本文的主要工作及特点 本文的主要工作是为大亚湾r p c 探测器电子学读出系统设计基于f p g a 的 u s b 接口的原型机读出插件( r o m u s b ) ，帮助搭建起由前端电子学 ( f r o n t e n d c a r d ，f e c ) ，原型机读出插件和上位机组成的原型机。这个原型 机可以用来模拟真实的r p c 探测器电子学读出系统的各项功能，为电子学读出 系统的设计提供参考依据和设计经验。与此同时，r o m - u s b 还可以用来测量 r p c 探测器的工作效率，帮助r p c 探测器生产过程中的质量监控。r o m u s b 模拟了电子学读出系统中的读出传输插件( r e a d o u tt r a n s c e i v e r ，r o t ) ，触发 插件( r p ct r i g g e rm o d u l e ，r t m ) 和读出插件( r e a d o u tm o d u l e ，r o m ) 的功 能，负责整个数据传输，触发判选和数据采集工作。r o m u s b 可以在不连接 r p c 探测器的情况下对f e c 进行各项设置( 包括f e c 上f p g a 的配置，甄别 阈设置，t e s t 值设置，触发方式的设置等) 和功能的测试( 包括甄别阈一致性 测试，单通道串扰噪声测试等) ，也可以在连接p r c 探测器时为r p c 探测器效 率测试提供原始数据。r o m u s b 的u s b 接口可以实现与上位机的通讯，方便 我们在第一时间对取得的数据进行判断和分析。 r p c 电子学原型机读出插件在2 0 0 8 年底顺利搭建并通过了现场测试，我们 对现场测试的数据进行了分析，得到了探测器效率的初步结果，也对探测器工 作现场的环境有了一定了解，为电子学系统的设计积累了不少经验。 r o m u s b 主要特点是： 1 充分发挥f p g a 器件用户可编程的优势，利用其丰富的m e m o r y 和i 0 资源 集成了大亚湾r p c 读出系统多个v m e 插件的功能，提高了f e c 的测试效率并且满 足了r p c 探测器效率测量的望远镜模型的要求。 2 使用大容量高性能的f p g a ，原来要由多片f p g a 才能完成的处理任务， 现在由一片f p g a 就能实现，大大提高了系统的集成度，同时也提高了整个设计 的灵活性，方便今后的f p g a 数据处理固件升级。 第1 章引言 3 利用f l a s h 芯片实现了f p g a 的1 5 米远距离配置，具有操作简单，配置 稳定，逻辑更改方便的特点。 1 4 本文主要内容的结构安排 论文的第章为引言，介绍了本论文研究的背景和意义，同时对国外高速数 据采集系统的发展概况作了简单的介绍。 第二章简要介绍了大亚湾中微子实验的设计，包括各个实验站点的设计，探 测器的设计以及读出电子学系统的组成。 第三章主要介绍r p c 电子学读出插件原型机以及r o m u s b 的设计构想，板 上芯片的选择和u s b 部分的具体实现。 第四章将会详细介绍r o m - u s b 中f p g a 逻辑的设计，以及通过长距离配 置f p g a 功能的具体实现。 第五章侧重于r o m u s b 设计方案中数据缓存方案的设计。 第六章将会介绍各种电路性能的测试，包括连接r p c 探测器和f e c 的测试 和效率测量。 第七章对本论文的工作进行了总结，并针对本论文存在的不足之处提出了 进行修改的地方，对后续工作进行了展望。 4 第2 章大亚湾中微子实验 第2 章大亚湾中微子实验 2 1 物理背景介绍 2 1 1中微子振荡基本理论n 1 粒子物理的研究结果表明，构成物质世界的最基本的粒子有1 2 种，包括6 种 夸克，3 种带电轻子( 电子、“和t ) 和3 种中微子( 电子中微子，“中微子和t 中微 子) 。上世纪三十年代，德国物理学家泡利为解释p 衰变中能量不守恒而提出中 微子不带电，五十年代才被实验观测到。中微子仅参与非常微弱的弱相互作用， 质量非常轻( 小于电子的百万分之一) ，因此对它的认识最晚、最少。宇宙中存 在大量的中微子，大约为1 0 0 个c m 3 ，占宇宙物质总量0 3 到l ，而可见星 系仅占0 5 。中微子在研究最微观的粒子物理规律和最宏观的宇宙的起源及演化 中都起着十分重大的作用。 李政道与杨振宁等在1 9 5 7 年提出描述中微子的理论，认为中微子质量为零。 中微子是否有质量，对粒子物理，天体物理与宇宙学均具有根本的影响。如果中 微子有质量，而且其质量本征态不同于弱作用本征态，由量子力学可推知中微子 之间能够互相转换，即由一种中微子转换为另一种中微子，物理学称之为中微子 混合，或中微子振荡。中微子振荡是探测中微子质量最灵敏的方法，近年来中微 子物理实验取得了重大突破，s u p e r k ，s n o 与k a m l a n d 实验先后发现了中微 子振荡，人们认识到这是发现粒子物理标准模型之外新物理的突破口与关键。 s u p e r k 的超新星中微子结果被授予t 2 0 0 2 年诺贝尔物理学奖，s n o 与k a m l a n d 实验的结果也分别被评为当年世界十大科技新闻。 三种中微子之间相互转换，即振荡的规律可以用六个参数来表示，即中微子 之间的两个质量平方差a m 2 1 2 和a m 3 2 2 ，三个混合角q 2 ，q ，岛，以及一个c p 相位角8 c p 。其中质量平方差决定振荡的频率，混合角决定振荡的幅度，c p 相位 角决定电荷宇称对称性的破坏程度。振荡参数中已测得确切数值的有三个半： s i n 2 2 0 , 2 ，s i n 2 2 0 2 3 ，m 2 1 2 和i 锄3 2 2 l ；未知的包括s i n 2 2 q 3 ，6 c p ，和l a m 3 2 的符号。 根据多个中微子实验数据拟合得到的振荡参数为( 9 5 置信水平) ： 1 2 = 7 9 2 ( 1 0 0 + 0 0 9 ) x l o 。5 e v 2 , s i n 2q 2 = 0 3 1 4 ( 1 o n + 0 - 0 1 l s 5 ，l ，磊f = 2 4 ( 1 o o + 0 0 舶2 1 ) l o 刁e v 2 , s i n 2 岛3 = o 4 4 ( 1 o d - o + 0 ，2 2 4 1 ) s i n 2 2 q 3 o 1 7 其中鼠，只测到了上限，而5 0 , 的数值近期内还无法测出。 5 第2 章大湾中m 实验 212 大亚湾中微子实验的预期科学目标 过去单个探测器的反应堆中微子实验，如i c h o o z p a l ov e r d e 和k a m l a n d 测量大混合角的信号精度一般在( 3 6 ) 。目前昂好的测量上限来自c h o o z ，在 9 0 置信度的水平下，为s i n 2 2 0 1 ， 0 ) 要求实验的总误差小于1 。这对实验方案，特别是探测器的设计 和本底的控制，是一个挑战。 只有在科学理论与技术创新的基础上反应堆中微子实验才有可能测量 s j n 2 2 0 1 ，到l 的精度。在目前国际上的各个方案中，大亚湾方案不仅设计精度最 高，而且最有可能成为第一个测n s i n 2 2 0 1 ，不为零的实验。 太亚湾中微子实验的主要科学目标是测量中微子混合角日，至s i n 2 2 0 1 1 一 i s l n 2 2 0 1 3 圈2i 大湾中微子实验预期的灵敏度示意吲 图21 大亚湾中微子实验预期的灵敏度，运行时问为三年。红线为c h o o z 确定 的实验上限，虚线为近点与中点快速方案的灵敏度，运行时间为一年。大亚湾实 验将把实验精度在现有基础上提高2 0 倍左右。 一，一-0一h 雏2 章 湾中微了实验 22 实验的总体布局 大亚湾中微子实验将使用三个实验厅对中微子进行远近相对测量。实验的布 局见图22 。 嗤22 ( a ) 又亚湾实验的总体方案蚓图22 ( b ) 实验大厅( 近j r ) 示意崮 闰22 大亚湾实验的总体枷j _ 】j 两个近点实验厅分别对火亚湾和岭澳的反应堆进行测量，测量结果结合各反 应堆的热功率将精确给出反应堆释放的中微子总数和能谱。远点探测器与近点探 测器的测量结果相比较，就可以知道是否存在中微子振荡。每个实验厅内主要有 3 种探测器：中心探测器，水切伦科夫探测器，和阻性板( r p c ) 探测器，如图23 所示。中心探测嚣即模块化的中微子探测器。每个近厅内放置2 个中心探测器， 远厅放置4 个。中微子信号的本底主要来自宇宙线在岩石中产生的中子和l i i 体岩 石本身产生的天然放射性。为了屏蔽这些本底，中心探测器被放在水池中，上下 四周均为25 米以上的纯 争水包嗣。水池中放霞光电倍增管，形成水切伦科夫探 测器，用来探测宇宙线。水池上方为阻性板探测器( r p c ) ，也用来探测宇宙线。 图23 实验大厅( 远厅) 示意图：4 个中心探测器模块置于水池中，上下与四 周均被2 5 米厚的水包围以屏蔽本底。水池中安放光电倍增管形成水切伦科夫探 测器。水池顶部采用阻性板探测器( r p c ) 。 23 探测器设计 大亚湾的探罚4 器包括中心探测器和反符合探测器，在这里我们着重介绍反符 合探测器的设计。大亚湾中微子实验的本底主要来源于字宙射线产生的u 子。减 小这类本底的主要方法是将探测器放置在地下并尽可能地增大探删器的岩石覆 盖。但实验厅周围的岩石会释放出大量的t 光子，而且p 子穿过实验厅周围的岩石 时会发生核敞裂。所以我们用25 m 厚的水把中心探测器包围，从而把这两种事例 第2 章太湾十微子宴验 产生的本底减少到最小。能量在1 2 m e v 左右的t 光子穿过5 0 c m 的水后，其流强 衰减到之前的1 2 0 ，因此经过25 m 的水屏蔽层后，岩石中释放出的t 光子的数量 就只剩下三百万分之一。此外，水屏蔽层还能屏蔽在水池外产生的中子。 崮23 反符合系统标准方案设计图 所示为反符台系统的标准设计，包括水池顶部的p r c 探测器，25 m 厚的水屏 蔽层和两层8 英寸的光电倍增管。 在水中产生的快中予关联事例是主要的潜在本底。我们采用四周水契仑柯夫 探测器、顶部r p c 探测嚣的联合探测系统来标记穿过水屏蔽层的p 子事例。在早 于快信号2 0 0 “s 之内穿过水屏蔽层的u 子有一定的几率产生假的中微子特征信号。 这样的假信号事例可以通过数据样本的分析来剔除掉。根据标记到的本底事例的 能谱和联合探测器的探测效率，可以推算出未被联台探测器标记到的本底并将其 扣除。我们的目标是将此类本底的不确定度减小至0i v o p a 下。 图25 是当前反符合系统的标准方案设计图。如图所示，中心探测器模块被裎 置在装有高纯水的水池里，中心探测器模块之间被1 m 厚的水分隔。近点水池为 矩形，远点水池为正方形，中心探测器模块距池壁的最小距离为25 m 。水屏蔽层 被张在不锈钢钢架结构l i 的t y v e k 反射膜分隔，且钢架结构上按空间位置均匀分 布安装了适当数量的光电倍增管，构成丁内、外两层反符合探测器。水池的外层 和底部的水均厚l m 。内、外两层反符合探测器联台探测予穿过水池时产生契伦 第2 章大亚湾中微子实验 科夫光光子。水池顶部是地毯式r p c 探测器，与水池的契伦科夫探测器联合形成 对u 子的完整探测。r p c 探测器在各个方向上都比水池多向外延伸1 m 以减少水池 边缘的侧向覆盖空隙，同时能够分析p 子与周边岩石相互作用产生的本底。 2 4 大亚湾实验电子学系统 电子学系统包括p m t 读出电子学，r p c 读出电子学，触发系统，数据获取系 统和探测器监控系统。整个系统设计的基本思路是反中微子各探测器，如水切伦 科夫内、外探测器和r p c 探测器等均采用各自独立的读出电子学系统，触发系统 和数据读出系统。 2 4 1p m t 读出电子学n 刀 p m t 读出电子学系统，用于反中微子探测器和水池切伦科夫探测器的信号读 出。上述两种探测器均采用光电倍增管( p m t ) 进行信号读出，输出信号特点比 较相近，只是在细节上对读出电子学的要求略有不同。根据以往的电子学系统设 计经验，为了方便今后的系统维护，同时合理降低系统的造价，采用的是上述两 个电子学系统采用相同的硬件设计。在此基础上，通过配合使用不同的f p g a 逻 辑功能来满足各自的要求。 图2 4p m t 读出电子学及时钟、触发系统 2 4 2r p c 读出电子学乜1 r p c 读出电子学系统，主要用于反符合信号的探测，以去除宇宙线对于中微 9 第2 章大亚湾中微子实验 子事例造成的干扰。r p c 探测器每个模块由4 层r p c 构成，信号读出是通过r p c 上排布的感应条实现的。在d a y a b a y 实验中，拟采用2 5 c m 宽、2 m 长的感应条。 每层布8 个感应条，4 层共3 2 道。 图2 5r p c 读出电子学系统结构框图 d a y a b a y 实验中，r p c 信号按模块读出，每个模块信号由一块前端板f e c 读出。 f e c 将3 2 道信号进行甄别转换成数字信号并在数据中加上时间标记，然后按照本 地触发逻辑给出相应的触发信号。触发信号经过触发插件( r p ct r i g g e rm o d u l e ， r t m ) 处理后被送回f e c 以决定是否保留并传输该事例的数据。被传输的数据经 过读出插件( r e a d o u tm o d u l e ，r o m ) 通过v m e 总线传输给数据获取系统( d a q ) 以作进一步的处理。在这个过程中，触发信号和数据的长距离传输由读出传输插 件( r e a d o u tt r a n s c e i v e r , r o t ) 完成。 2 ，4 3 触发判选系统 触发系统的作用是根据前端电子学系统送来的各个光电倍增管的击中信息 1 0 第2 章大亚湾中微子实验 以及总能量和信息，综合预先设定的物理事例的判选条件，实现对反电子型中微 子事例、宇宙线p 子事例、周期触发事例的判选和刻度，并给出相应触发判断。 数据获取系统根据触发系统的判选结果，对电子学系统的事例信息进行筛选采 集，将有用的数据进行后续处理、数据分析。 除了中微子反应触发，反中微子探测器触发系统还要实现用于刻度和监视的 几种其他类型的触发。几种类型的刻度触发如下：( a ) 由发光二级管( l e d ) 脉冲 系统产生的触发，用于光电倍增管的增益与响应时间的日常监测。( b ) 周期性 地将光源降到探测器内腔中，用于监测探测器光响应与衰减的空间不均匀性。( c ) 采用放射源产生的特定能量与多重数触发，测试探测器的响应。用于监视反中微 子探测器及相关电子学系统稳定性与研究随机本底的周期性触发。 2 4 4 时钟定时系统 每套反中微子探测器和p 子探测器系统采用独立的d a q 和触发插件。这种设 计要求每套独立的d a q 和触发系统离线完成数据同步。这对标识和研究宇宙线“ 子的本底都非常重要。每一个候选的宇宙线“子将由下面三套独立探测系统获取 的原始数据来进行离线重建：内外水切伦科夫和r p c 定位系统。肛子探测器统中 对候选宇宙线“子重建之后，必须与反中微子探测器中的行为建立时间关联，用 于对子引起的本底进行研究。根据目前大亚湾物理研究的需要，要求时间系统 为整个实验提供全局基准时间，其中包括每个实验厅中每个用于液闪、水切伦科 夫和位置测量系统的触发、d a q 、前端电子学插件。通过为所有组件提供高精 度的时间标签，利用时间印记来去除p 子产生的假中微子特征信号。比如说，通 过在每一个组件输出的数据中寻找时间标签之间的冲突，就能对所有的相同触发 偏移、固件故障和死时间等进行定位。此外，多个实验厅使用相同的基准时间进 行同步，可以对超新星爆发或者大气中规模巨大的宇宙射线雨等物理现象进行全 球同步探测与识别。时间系统可以概念性地分为四个子系统：( 中央) 主时钟， ( 实验点) 局域时钟，时间控制板和时间信号扇出。 2 4 5 数据获取系统( d a q ) 数据获取系统根据触发系统的判选结果，从电子学系统中读取相应的事例信 息，形成数据文件并将它保存下来，并通过一定的方式传送到各离线分析系统。 数据获取系统( d a q ) 主要实现以下功能： 从前端电子学设备读取数据； 把从逐个机箱的前放板取到的事例片段组装成完整事例； 进行快速在线处理和事例重建以便在线监测和最终触发判选； 把事例数据存储保存； 第2 章大亚湾中微子实验 2 4 6 探测器监控系统 为确保在整个实验过程中，探测器和各个系统能够安全、稳定地运行，还需 要一个完整的探测器监控系统。探测器监控系统( d c s ) 控制着不同实验的设备 ( 如高电压系统，测量系统等) ，监视环境参数和探测器状态( 如，供电电压， 温度，湿度，气体混合度，放射级别等) 。某些安全系统诸如机箱保护和快速互 锁等系统同样也包括在了d c s 中。d c s 系统将使用商业软件包来实现管理控制， 数据获取标准可使开发成本最小化，而使可维护性最大化。 2 5 本章小结 本章从大亚湾中微子振荡实验的物理背景入手，着重介绍了实验的科学目 标，总体布局，探测器以及与之相对应的电子学设计，其中我们最为关注和感兴 趣的就是r p c 电子学系统的总体规划和设计。本章的介绍使读者对大亚湾实验有 了宏观层面的了解，为下面章节关于r p c 电子学原型机与原型机读出插件的详细 说明提供了完整而直观的背景介绍。 1 2 第3 章原型机与原型机读出插件 第3 章原型机与原型机读出插件 原型机是为了预研的需要，根据物理实验和电子学的要求而搭建的，用来模 拟真实系统功能的物理模型。在大型物理实验的探测器电子学系统开发的初级阶 段，往往先制作符合系统功能要求的原型机，这样既能实现系统功能的模拟，为 后期的电子学系统收集实验数据积累设计经验，又可以大大的节约成本，增加设 计的成功率。这种原型机模式已经应用在很多大型物理实验的电子学系统设计 中，比如，b e s i i i 的u 鉴别器读出电子学读出系统。在本章里，我们将围绕着大亚 湾r p c 电子学原型机的设计要求详细介绍原型机以及其中的读出插件的功能，作 用，设计构想，芯片选用等，让读者首先从硬件层面上对原型机以及原型机读出 插件有一个直观的了解。 3 1 大亚湾r p c 电子学原型机简介 在大亚湾r f c 电子学读出系统的预研过程中，原型机的搭建是我们的主要工 作。如图3 1 所示，大亚湾r p c 电子学读出系统的原型机由f e c ，原型机读出插件 和上位机共同组成，原型机和负责接收p 子并将“子的位置信息送出到f e c 的r p c 探测器连接，f e c 将r f c 探测器的给出的模拟信号转变成数字信号通过电缆送给 原型机读出插件，原型机读出插件将来自于不同f e c 的数据打包编号后通过u s b 接口送到上位机，上位机以文件形式将数据存储下来提供给后期处理软件，完成 径迹模型的建立。与此同时，上位机上的后期数据分析处理软件还可以对得到的 数据进行各种不同目的的分析。帮助我们全面了解探测器以及整个电子学读出系 统。 图3 1 原型机示意图 原型机在r f c 探测器电子学预研阶段的主要作用有如下2 个。第一，利用现 有的各项参数已知的通过工程验收的p r c 探测器来测试原型机的电子学部分，充 分模拟现场的复杂情况，调试和不断完善探测器电子学部分的功能。其中主要是 第3 章原型机与原型机读出插件 测量f e c 的性能，由于原型机中的f e c 将会直接应用到最终的r p c 电子学系统中， 所以f e c 功能的完整性，工作的稳定性，抗干扰性都会直接影响到工程质量，对 其的测试十分重要，也是原型机设计和调试过程中的难点。第二，利用调试成功 并且稳定运行的电子学部分来测量新制作的r p c 探测器的工作效率，为r p c 探测 器的工程复制和安装提供可靠的测试工具。 我们可以看出，原型机不论在p r c 探测器的工程复制过程还是在电子学系统 的设计过程中都有着很重要的作用，所以，原型机的成功是我们工程能够顺利进 行的最可靠的保证。 3 2 原型机读出插件在原型机中的功能和作用 原型机读出插件在原型机中有着多种多样的功能和非常重要的作用。从图3 】 中可以看出，它连接f e c 和上位机，基本实现了r o m ，r t m ，r o t3 部分的所有 功能。它是原型机中唯一可以通过用户界面操作的部分，是原型机的总控制器， 接收和处理来自用户的各种命令。同时，由于它对工作环境要求低，连接简单和 易操作性，它还是r p c 探测器和f e c 的质量监控检测的有力工具。在原型机当中。 原型机读出插件主要负责： ( 1 ) f e c 上f p g a 的逻辑更新，在线远程配置； ( 2 ) f e c i 作模式的设置( 自检模式，单通道测试模式，探测器工作模式) ： ( 3 ) f e c 的甄别阈，测试信号幅值( 自检模式下需要) 的设置： ( 4 ) 自检数据模式，数据率的设置： ( 5 ) 原型机读出插件自身的通道选择，触发信号选择： ( 6 ) 触发信号的接收、判选、发送。触发延迟的设置； ( 7 ) 数据接收，打包，添加通道号，通过u s b 接口发送到上位机等功能。 由于原型机读出插件的大部分功能是由可编程的f p g a 实现的，所以，原