（电路与系统专业论文）besiii漂移室宇宙线实验单事例数据处理方法研究.pdf

摘要 b e s l 珏漂移室宇宙线实验是漂移室建造过程中的最后一个重要环节，主要是对 b e s m 漂移室及电子学系统在正式安装之前实施全面的检测。数据获取系统是宇宙 线实验中重要的组成部分，数据获取系统的监测功能模块全程监测了宇宙线实验中 漂移室的运行情况。单事例显示是数据获取系统的一个重要监测手段，以三维图形 的方式实时地、点观地对漂移室的运行情况进行监测。宇宙线漂移室单事例数据处 理主要是为单事例显示程序提供宇宙线在漂移室内部的各个击中的空间位置数据， 显示肇事倒在漂移室中的径迹。 论文首先介缨了北京正负电子对撞机和北京谱仪的概况、数据获取系统以及漂 移室的几何结构。在尝试了基于离线重建的处理和基于空间几何运算的处理两种数 据处理方法的基础上，提出了基于空间拟合的处理方法。基于离线重建的处理方法 获得的结果准确，但时间消耗大，两且离线的处理对g a 国薹框架有很强的依赖性， 限制了处理的独立性；基于空间几何运算的处理方法耗时少，独立性也强，但结果 准确性不符合要求；本文提出的方法处理速度快，对环境依赖性低，精度也能满足 宇宙线单事例处理的要求。 论文还设计实现了基于空阀拟合的处理方法的宇宙线单事例数据处理软件，采 用面向对象编程技术对原始数据进行封装，利用最小：乘原理实现了平面和三维空 间中的噪声数据滤除和宇宙线径迹拟含，有效地提高了处理速度和结果的准确度， 最后利用蒙特卡洛模拟数据验证了该方法的歪确性。 作为漂移室字宙线实验中的一个重要组成部分，本设计已成功地应用于漂移室 宇宙线实验。 关键字：b e s i 珏；字宙线实验；漂移室；单事例显示；数据处理 顼圭擘位论文 m a s t e r st h e s i s a b s 订嚣c t i h ec o s 武c 娜e x p e 觚e n to fb e s i i id r i rc h 锄b e ri s 也el a s t s t e po f 也e c o n s 嘲施鼹o f 谢建e 翻越b w 董娃矗誊v 豁鑫c 锄l p 曲e 憋至v e 白喊协也! cb e s 嫩越建 曲趣n l 煅。锄de l e 鼬r o n i c ss y s t e mb e f o r ef o r n 姐li l 蚓c a l l a t i o md a ：c aa c q u i s i t i o np a q ) s y s t e mi sa ni n l p o 删p a r to ft h ec o s m i cr a ye x p t 喊e ms y 觚t h em o l l i t 0 面唱n 1 0 硼e o f d a q 毽。越妇= s 娃l e 斑秘i 鹋o f 酝殳e 蛔遗b 嚣遗囊狩w 量l o kp 灼c e 锱o f 珏愆c o s 斌er 鑫y e x p e 血n e n t s i i l 西ee v e n td i s p l a yi sa ni i i l p o r t 2 眦m o n i t o 血1 9w a yo fd a q i tm 0 1 1 i t o r s 戗l e r u m l i n go f 赫金洳b e ri n 髓抢w a yo f 也r e e 馐m e n s i 锄蕊笋郅 k 髓l em a 诬p 滋p o s eo f 她p c e s so fs 趣誊ee 嘲li nt h ec o s m i ef a ye x p e 妇嫩i sp 啪l v i d 抽gs 删a lp o s i t i o n d a 组o f c o s i l l i cr a y 醯si n 也e 曲rc h a m b e rf o rs i n 甜ee w n td i s p l a yp r o g r a mt 0d i s p l a y ：h e 訇础o fc o s 奠基ef a y 涟氇e 蕊鑫c 魏a l 】l b e 囊 l 赫蠡s s 键僦砸觚l 鼬移良ss o 蛐g 渤墩b e p c 躲d b e s i l l ，d 抛鑫c 叫娥o n s y s t e ma n d 也es t n l c t u r eo fd r i f tc b 脚m a 胁t r i e dt w om e m o d sf - 0 ri i a ：t ap r o c e s s i n g ： p r o c e s s i n gb 弱e do no 蕊i n ef e c o 磷缸u ( 最。珏a 心p 】的c e s s i n gb a s e do 髓t 虹刚弧e n s i o 斌 鏊e o m 呔嗲e a 王嘲a 撼强，呶i sd i s s e 删o nd e s i 鬻搽n l e 畦l j l r dm e t ：h o d ：p m c e s s 堍b a s e do n 岫一m m e n s i o n a l 缸a c k f i t t 访g n l cr e s m tg o tb yt h ef i r s tm e m o di sa c c u r a t e ，b u t 痂 x l e 建i st o ol o n ga n d 主专i sd e p 睨面畦。鑫g a 国1w 量畦馥d 躺a g e s 畦l e 弧薹e p 锶妇e eo f 臻e p r o c e s s i i l g t h es e c o n dm e 吐l o dc a ng e tr c s u l tq u i c l ( 1 ya i l db e 诫d e p c n d e 峨b u tm er e s u l t i si n a c c u r a t e t h e 锄【r dm e 也o da l s 0c a ng e tr e s u l tq u i c 珏ya 1 1 db ei n d 郇 e n d e l 吨t h e a c c 珏稳e yo f 攮e 端s _ 遵tc 嚣娃越磁e e 专氇ea c c 班越yd e m a 薹l d 遮s i n g l e 铋，e b td 蠢捷p 妁c e s s i l 毽 o f c o s i m cr a y 7 n l i sd i s s e r 僦o na l s od e s i l ! 皿sa n di n p l e m e n t st h ei l a ：t ap r o c e s s i n go fs i n g l ee v e n t b 皤s e d 妇e 蠢i 越e l l s i o n 羹缸c k 螽硼酸既鑫l 避曲 c c 扣。纛e l l t e 鑫托捌鼙t l e sa 怼毽s e dt o e n c a p s u l a e 也e 帆e v e nm o 糟p r 泌c i p l eo fl e a s ts q u a r e si st a k e na d v j 曲g eo ft oi t e s e r t t h en o i s ed a t ai n 懈r 0 - d i m e i l s i o n a ls p a c ca i l d 如r 觚峙k - f i t t i n go fc o s m i cr a y 仃a 站kw b i c h i 攫p v e 蠡ep c c s s 遮g 罐目e e d 越d 也ea c 识搿l c yo ft k ：她s 娥a l 戤越sd i s s 霞铡。扭 t a k e sa d v a n t a 星r eo fm cs i l l n a t i o nd a ：t at op r o v e 也ev a l i d i 坶o f 伽sm e m o d 触a n 嘶删p a r to f c o s i i l i c 剐叩面毗e n to f d i i nc l l 乏嘣山e lt h i sd e s i 弘h a sb e e n a 薹p l i o d 主珏龇c o 辍墨c 唧【p 硪m 啦o f 赫建畦豳渤鲷瞒e s s 触l y t x e y w o 蛆s ：b e s l 薹l ，e o 娃疵潮，e x 刚瓣鸸越建吐鞠曲e f ，s 逸蛋ee v e 嫩d i s p l a y 幽l 诅 p r o c e s s m g l l 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以赞确方式标明。本声镌的法律结果由本人承担。 作者签名：累么华日期：矢一。年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复晕件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权 中国科学技术信怠研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网络向社会公众提供信怠服务。 作者签名：爰么字 日期：沙蚶年，月日 导师签名r 誊1 日期： 一1 年6 月1 日 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发蠢章程，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库艚中全文发布，并可按“章程中的 规定享受相关权益。圃意论塞逞交蜃溢蜃! 立至生；四= 玺i 旦三生筮查。 作者签名：关么孚 毽期：翮年乡月| 爨 导师签名，冬州导师签名r 莹嘲 霹期：苦一鼍年胃l 霹 硕士擘位论文 m a s t e r st h e s i s 1 1 概述 第一章绪论 高能物理是现代物理学的一个相当活跃的分支，在探索物质基本结构、发现新 粒子等方面扮演着不可或缺的角色。高能物理实验采用镌方法是：利用高熊加速器 将带电粒子加速到很高能量，并使其对撞或打靶质发生相互作用，再利用探测器测 量产生的末态次级粒子，获得的实验数据用于分析和研究末态粒子的性质及其相互 作用的规律。所以高能物理实验可以分为三个组成部分：粒子源、探测器和数据处 理。粒子源是提供高熊粒子的工具，可以是宇宙线，也可以是栩速器。 粒子加速器是用人工方法产生快速带电粒子束的装置，它利用电磁场将带电粒 子束( 如电子、质子等) 加速到很高能量，所以称为加速器。粒子加速器的必要性 表现为：粒子束流能量越高，波长越短，就越能深入到物质内部去获得更多的信息， 这也是要求加速器能量越来越高的原嚣。 二十世纪六十年代末出现了让两束相对运动的粒子束团对撞来提高有效作用能 的对撞机，从而把束流的等效能量推向新的高度，对撞机大大提高了有效作用能量， 有较好的性价比。对撞机在高能物理领域三十多年来的发展中已经成为一种占主导 地位的高能加速器。 粒子探铡器是记录和测量高能粒子信息的工具，嵩能粒子产生的事例包含不同 种类的次级粒子，如光子、强子、轻子等，而每个事例可能还有多个次级粒子，为 得到整个事例的详细信息，需要用不同类型探测器的组合来测量。通常把测量高能 粒子事例的多种探测器的组合统称为谱仪。谱仪的功能是测量反应产物的各种物理 量( 如位置、能量、动量、速度、飞行时间、电离损失等) 。 当前，新一代高能物理实验的三个研究前沿是：加速器物理实验的高能量研究、 高亮度研究与非加速器物理( 或称粒子天体物理) 实验研究醛】。 高镜量前沿鄄在更高的能量下寻找新的粒子，探索新的物理模型。霉前正 在c e i 斟建造并将于今年1 0 月试运行的新一代质子质予对撞机l h c ，以 寻找电弱统一理论的h i g g s 粒子和探索新物理为主要目标。 高亮度前沿即在特定的工作能量区间，以更高的亮度产生大量的特定粒子， 在低本底环境下使用高分辨的探测器进行精确测量，检验物理模型，测量 硕士学位论交 l 旺a s t e r st h e s i s 相关参数，发展新的理论。目前运行的几个粒子工厂包括美图的p e p i i i z j b a b a 一、日本的k e k b 【4 1 b e l l e 【5 1 和意大利的d a n e 【6 】k l o e 网。正在建 造的北京正负电子对撞机i l ( b 琶p c1 1 ) 瀚及其探测器北京谱仪i l l 圆e si i d 翻 是离亮度研究实验之一。 非加速器物理使用题大体积的探测器，在低本底、低噪声的环境下以高灵 敏度探测低事例率的物理现象，如宇宙线或天体过程中的中微子、宇宙暗 物质粒子等。如日本的s u p 酬酬：n i 呔a 耐e 实验和我国正准备建造的大亚湾中 微予实验等。 1 2 选题背景 北京正负电子对撞机b e p c i i 的改造升级正在进行中，升级以后的亮度比b e p c 提高了l o o 倍，这就要求一个能够与之匹配的高精度探测器。j e 京谱仪b e s i i i 正是 这样一个揉测器，它是b 礤c 王l 极其重要的组成部分，安装在对撞点上用于粒子探 测。 漂移室是b e s i i i 最内层的子探测器，是非常重要的粒子探测器，它用于测量正 负电予对撞中产生的末态带电粒子的径迹，给出径迹的动量，同时通过测量电离能 量损失( d 彰d 为带电粒子鉴别提供信息。漂移室建造完成之后需要对其进行测试， 保证其可靠性。漂移室的宇宙线实验是其建造过程中的非常重要的一个环节，主要 目的在于检验漂移室工作的稳定性，发现和解决漂移室存在昀各种隐藏的问题。 漂移室的宇宙线实验包括了数据获取系统等多个系统的联调，数据获取系统主 要完成以下功能【1 0 】： l 。电子学的刻度和记档。 2 运行时的初始化，前端各微处理器的加载，各状态控制寄存器的设置。 3 从前端电子学读数。 4 。数据的预处理和装配。 5 全事例数据的重建分析。 6 数据的记录。 7 探测器运行情况的监测( 抽样分折事铡，建立各种直方图并作单事例和壹 方图显示) 。 8 运行的操作控制，如键盘命令输入等。 2 硕士学植论文 m a s t e r st h e s l 8 9 运行条件的显示和记档( 如运行烈烈号、磁带号、加速器能量和亮度、环 境和高压监测等。 l o 错误显示，报警和记档。 量l 。磁带和磁盘上记录数据的读圆和处理。 上瑟提到的单事例在宇宙线实验中就是一根宇宙线穿过漂移室所触发的事例。 单事例显示是数据获取系统中的种监测功能，在宇宙线实验中主要是监测漂移室 的运行情况，主要是通过三维视图的方式显示漂移室内的击中情况。单事例数据处 理主要是黄单事例显示提供字宙线在漂移室内部击中各个单元的具体击中位置数 据。单事例数据处理对于漂移室的宇宙线实验具有重要意义，能让单事例显示能更 直观更具体地显示宇宙线实验的情况，使值班人员能够更为详细地观察宇宙线实验 中宇宙线在漂移室内的击中情况，方便专家观察漂移室的击中情况，判断漂移室的 工作状态。 由于带击中位置的单事例显示是首次应用于漂移室宇宙线实验中，没有现成的 经验可以借鉴，本课题在依据离线重建系统和空间几何知识提出的三种数据处理方 法，最后选取其中最适合宇宙线事例处理的方法进行实验串酶数据处理。北京谱仪 的很多数据处理软件都使用c h ，而且数据获取系统的工作环境是l 蛔吸，因此本 文选择c h 语言在i ，咖环境下实现选定的数据处理方法。c + 十作为种优秀的面 向对象的编程语言，由于其健壮性、可移植性以及高可靠饿等优点在各软件领域得 以迅速蛇应用。成熟的高能物理数据处理软件购o t 也为字宙线单事例处理带来很 大帮助。 嘻3 论文章节介绍 本文分为七个章节和两个附录。 论文第一章为绪论。 第盖章主要介绍了北京正负电子对撞机和北京谱仪，以及其升级改造的相 关信息。 第三章主要介绍了数据获取系统的发展、组成，重点分绍了b e s 王珏数据获 取系统的相关情况。 第四章主要介绍了漂移室的物理结构和工作原理。 3 颈士学位论文 m a s t e r st h e s l s 第五章论述了单事例数据处理的理论设计，包括方案的确定，选定方案的 实现以及蒙特卡洛数据的论证调试。 第六章详细介绍了单事例数据处理在宇宙线实验中的应用，主要有宇宙线 实验在线数据的解包，单事例数据处理程序在宇宙线实验中的的实验及其 结果分析。 第七章对本设计进行了总结。 4 硕士攀棱论文 m a s t e r st h e s i s 第二章北京正负电子对撞机和北京谱仪 中国科学院高瑟物理研究所予1 9 8 8 年l o 月建成了北京正负电子对撞机8 p e c ， 同时建成了大型粒子探测器北京谱仪b e s 。b e p c 通过把正负电子加速到1 5 2 8 q i v ，实现正负电子对撞。而b e s 则把在b e p c 发生的正负电子对撞所产生的事例 收集起来，用予弘c 物理研究【l l 】。 2 1 北京正负电子对撞机简介 b 默c 的设计束流能量是1 5 5 2 8g e v ，在e b = 2 8g g v 的设计亮度为 1 7 1 0 3 1 伽或s ，对撞周期为8 0 0n s 【l l 】。 b e p c 有三个主要组成部分：直线加速器、输运线和储存环。正负电子束在直 线加速器中产生，并被掘速到l 。量王5 5g e v ，经东谣薅边的输运线分别输送到存储 环的注入口。在储存环中正负电予束被加速到所需能量，在对撞点实现对撞以进行 物理实验【l l l 。b e p c 的总体布局如图2 1 所示f g 】： 图2 ，l8 e p c 的总体布局 b 魏p c 的注入器是一台直线加速器，由5 6 根长3 0 5 米的盘荷波导加速管和一些 5 磺壹学位论交 t a s t e r st h e s l s 聚焦节组成，全长2 0 2 米。正负电子在直线加速器中可以被加速到l 。1 1 5 sg e v 。 从注入器输出的正负电子束流经由输运线分成两条通道以尽可能少的损失传送到 储存环里。储存环是一个跑道环形加速器，中心轨道长2 4 0 4 米，有霞个长直线节 连接隧个嚣弧。两个长直线节孛点是正负电子发生对撞的地方，对撞点左右2 5 米 的区域叫对撞区。因此，b e p c 有两个对撞区，在地理位置上分布在南北两侧。b e s 安装在南侧的对撞区，北侧的对撞区爵前没有使用。 2 。2 北京谱仪简介 粒子经过探测器时，与探测器内物质的相互作用丽损失能量，这些能量被探测 介质和器件转化为电信号，通过将电信号放大、成形、甄选并数字化之后记录下来， 樽按一定的算法重建出粒予的时间、径迹和能量等信息，这就是探测器探测并记录 粒子信息的基本原理。 b 醛由多个子探测器组成，包括中心漂移室( c 鼹娩l 斑袁c b m l 辫，c 陇) ， 主漂移室( m a i nd f 谂c h a 湖嫩，m d c ) ，桶部和端盖飞行时间计数器( b 斓融a 斌 鼬d c a pn m eo f f l i g h t ，b t o f ，e t o f ) ，桶部和端盖簇射计数器( b a r r e la n de i l d c a p s h o w 髅c o 鼬t e f ，b s c ，e s c ) ，斗4 子计数器( m u 。nc 饼i n t e r ，m u e ) ，亮度监测器 ( l 羽斑蜍s 姆m o 越妇，埘m ) ，和可形成o 4t e s l a 轴随磁场的螺旋管线圈磁铁。 1 9 9 5 - 1 9 9 8 年间，对b e s 进行了次升级改造，升级后的北京谱仪被命名为b e s i i 。 2 3 北京正负电子对撞机和北京谱仪的升级改造 自从1 9 8 9 年北京谱仪开始获取数据以来，b e p c b e s 运行性能良好，已积累了 6 6 0 0 万地事例、1 8 0 0 万y 爹事倒，8p b - l 的y ( 3 7 7 0 ) 数据，2 5 油董的t 数据和2 0 曲。l 的d s 数据，成为国际上在2 - 5 g 能区数据量最大的加速器和探测器，其中 j ，y 和y 够的数据量均比此前国际上类似实验的数据量高一个数量级左右，取得了许 多重要的创新性物理成果醛刁。 按照国外高麓物理实验发展的成熟经验，在大型的高麓物理加速器运行了一定 时间，完成了其主要科学目标后，普遍根据当前高能物理研究的最新成果以及发展 方向，对加速器以及相配套的探测器进行改造，使之继续在国际高能物理研究的最 前沿发挥重大作用。例如，美国斯坦福大学直线加速器中心( s 淞c ) 、日本高能加 速器研究机构炷k 和意大利f r a s c a t l 国家实验室先后将它们的正负电子对撞机 6 磋士学位论交 ，舱s t e r st h e s i s 改造成了双环正负电子对撞机，大幅度提高其性能，在国际高能物理的精确测量前 沿进行相应能区的物理研究，取得了许多重大成果【1 如。 z 3 1b e p c b 聪p c 的任务是在对撞机现有隧道内新建一个储存环，采用多束团、大交叉角 对撞方式，成为当前国际上最先进的双环对撞机，将亮度提高两个数量级，在质心 系能量3 。7 7g e v 时达到3 l 矿2 一1 0 l 妒2e 戳之s 1 【嬲。 b e p c i l 将继续在 。c 能区工作，但加速器的主要参量和b e p c 相比有变化。表 2 1 对b e p c i i 和b e p c 的一些主要参量做了比较。 表2 1b e p c i i 的主要参麓与b 掰 c 的比较瞰 参量单位 b e p c i ib e p c 束流能量曰g e v1 o - 2 o 1 o 也5 串内束团间隔& m2 42 4 0 4 束团流强厶 m a 9 8 1 8 9g e v3 5 1 8 9 g e v 束流强度 对撞 9 l o 1 8 9g e v2 3 5 1 8 9g e v 燃 溯 同步辐射瑚 删 1 3 0 1 0 3 1 c m 2 s 亮度三 1 0 0l 1 b 即c i l 将采用双环方案，即在b e p c 现有的储存环内建造一个新的储存环。新 建的内环与现有的外环在南北两个对称点榴互交叉，正负屯子各走半个内环和半个 外环，在南对撞点对撞。双环方案使每个环中束流的束团数目可以更多，不仅可以 达到更高的亮度，而且也避免了单环轨道的局限性。圈2 2 是b e p c i i 的布局示意 图翻瑚。 2 3 2b e s l l l b 秘c 舞级到b 日c 珏屠，亮度提高了1 0 0 倍，采用了多束团模式，这就要求有 一个与其相配合的采用现代探测技术的高质量探测器。一方面，b e s i i 探测器所采 用的技术基本上是2 0 年前的技术，其性能存在很大不足之处，如电磁量能器的能 7 磋士擘往论文 m a s t e r st h e s i s 图2 ，28 毯l l 的凑蜀示意图 量分辨率较低，覆盖立体角偏小等。并且b e s i i 面临严重的老化闯题，其电子学和 数据获取系统不能支持多束团模式。另一方面，1 0 0 倍的统计增加也要求系统误差 相应地减少。因此，必须建造一个采用现代技术的新型探测器b e s i i i 。b e s i i i 的物 理目标为c 能区粒子产生和衰变的精确测量。 b e s 的子探测器包括：主漂移室( m 斑d 穗c l 燃曲e r ) 、飞行时间计数器( 髓嫩e o ff l i g h tc o u n t e r ) ，电磁量能器( e l 群呐m a 盟e t i cc a l o r h 酏啦，p 子计数器( m u o n c o u n t c r ) 。图2 3 和图2 4 分别给出b 嚣s i 总体结构端面视图和b e s i i i 总体结构沿 束流线的剖面图。另钋，触发判选系统、电子学系统和数据获取系统，也是b e s l 王i 的重要组成部分。 2 。3 。2 1 主漂移塞 b e s i 的主漂移室( m d c ) 是b e s n i 的主要子探测器之一，其主要任务是： 1 精确测量从相互作用点产生的带电粒子动量和方向： 2 为带电粒子的粒子鉴别提供足够好的电离能损( 舭) 测量； 3 对带电粒子的测量有尽可能大的立体角覆盖( 9 0 4 7 c s 仃) ； 4 对低动量带电粒子径迹有尽可能大的重建效率； 5 。为带电粒子的一级硬件触发提供信号【翊。 s 硕士学往论天 m a s t e r st h e s i s 图2 3b e s i i i 总体结构端面视图 图2 4b e s 王l l 总体结构沿束流线的割面图 9 石曩士学位论文 m a s t e r st h e s i s 2 。3 。2 。2 飞行时闻计数器 飞行时阕计数器置于主漂移室和晶体量能器之闻，桶都约f 的接收度为0 8 3 ， 端盖t o f 的接收度从o 8 5 到o 9 5 ，基本覆盖了主漂移室和量能器的接收度。飞行 时间计数器用来测量带电粒子在主漂移室内的飞行时间，主要功能是通过所测量的 飞行时闻信息，结合主漂移室测得粒予的动量和径迹，从而辨别粒子的种类；同时 它也参加第级触发判选；蔼且可以利用不同探测器输出信号之间的时闻关系来排 除宇宙线本底【i 副。 2 3 2 3 电磁量畿器 高能物理实验中测量粒子总能量的探测器被称为量能器，电磁量能器在b e s 谱 仪中占有十分重要的地位。它的基本功能是测量电子和丫光子的能量和位置信息。 为寻找胶予球存在的证据，需要在探测脚的辐射衰交的数据中重建诸如脚峒， 脚 k l 【，j 斗朔珏等包含有直按衰变的了，妒或中间态衰变的嚣。的道，同样在v ， v ，t 和d 的衰变末态中含有7 【o 的分支道占有相当大的比例1 6 1 。 2 3 2 4p 子计数器 弘予鉴别器位子b e s i h 探测器的最外层，它主要包括p 探测器和强子吸收体。 它的主要功能是测量c + e 反应末态中的p 子，通过多层测量给出他们的位置和大致飞 行轨迹。与内层探测器的粒子径迹相连接，可精确测量子的动量并与其它带电粒 子( 尤其是趸) 区分开来【1 7 】。 2 。3 。2 。5 触发判选系统 b 嚣s 触发系统是b e s 的快速实时事例选择和控制系统，它要在极高的本底下选 出有用的物理事例，把本底压缩到数据获取系统可以接受的程度。b e p c 的高流 强要求b e s i 触发系统在比原来b e s i i 触发系统高得多的本底下工作，束流的多束 团结构也使得触发系统不能再象原来那样在每个束团问隔时间蠹作一次第一级判 选，并且所有探测器以及所有电子学都要重新设计，因此必须对鹣e s i 的触发系统 也进行重新设计。 经过计算，b 聪s i 的触发判选系统需把事例率从1 3 1 0 7h z 压低到最高事例率 霹0 0 0 薹z 左右，这是数据获取系统可以接受的珏s 】。 l o 磺士学位论文 m a s t e r st h e s i s 2 。3 。2 。6b e s 瞪毫子学系统 由于设计孛的b e p c 珏将采用多束团运行，对撞周端为8 矬s ，两触发判选系统一 级判选所需要的时间( 强g g e rl 锄m c y ) 为6 4 胪，远大于对撞周期，故原b e s i i 的 电子学系统已经无法满足新的需求，必须重新设计b e s 的各个子探测器和触发判 选系统的电子学系统。对不同的予探测器和触发判选系统，其电子学系统有很大不 同。详细资料请参阅1 嘲。 2 。3 。2 7b e s 嘲数据获取系统 褶应遗，隽了适应新的更高的需求，b e s l l l 的数据获取系统采用了先进的技术， 如实时嵌入式系统，分布式计算机系统等。详细内容将在第三章中介绍。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s 第三章b e s i i i 数据获取系统 现代高能物理实验普遍朝着两个大方向发展：采用更高的工作能量和采用更高 的束流亮度。这个趋势带给物理学家和实验人员一个挑战，即单位时间内产生的数 据量越来越大，必须采用更高效的方法收集、存储数据。因此，数据获取系统在现 代高能物理实验是一个非常重要的课题。建造一个高能物理实验的数据获取系统， 有几个重要的因素需要综合考虑【1 0 j ： 1 触发率。在相同的事例大小下，触发率越高，数据获取系统在单位时间需 要处理的数据量也越大，因此需要更高的数据处理能力； 2 事例大小。一个事例是指在一个触发事件到达后，由前端电子学从探测器 读出，并经由前端电子学处理( 如压缩等) 的粒子对撞信息( 如时间、电 荷、径迹等) 。在相同的触发率下，一个事例越大，数据获取系统在单位时 间内需要处理的数据量也越大，从而对数据处理能力的需求也越高； 3 造价。高能物理实验对数据获取系统的性能的要求提出很高的要求，构建 一个高能物理实验中使用的数据获取系统需要昂贵的硬件和软件支持。而 这些设备的价格往往随性能的增长而指数增长。因此，在设计数据获取系 统方案之前需要根据特定的物理实验目标，估计其所要达到的性能指标， 选用合理的方案。 4 扩展性。大型的高能物理实验装置的寿命一般大于1 0 年，在建成运行后， 往往需要根据最新的物理发展进行实验的改造。因此，一个完善的数据获 取系统需要有足够的冗余能力，并且易于扩展，以适应未来新的探测器要 求。 5 容错性。来自前端电子学的异常数据、数据获取系统本身的不确定因素( 如 网络故障、系统缓冲区出错等) ，会对实验数据的获取造成影响。如果这些 错误被延迟发现，可能导致自第一个错误发生时到错误被发现时的数据均 为无效数据。因此数据获取系统必须能及时发现错误数据，并且采用相应 措施。 6 触发率和事例率是跟高能物理实验所需要达到的工作能量和束流亮度密切 相关的。建造一个数据获取系统需要同时综合考虑物理学、电子学、计算 机科学等几方面的知识和技术。 1 2 硕士学位论文 m a s t e r 8t h e s i s 3 嚯b e s l 数据获取系统 北京谱披b e s 王在娥能区豹亮度为4 1 0 2 9 c 黻屹s 一，事例触发率为3 蚤娩，事例 长度接近4k 字节。b e s 静数据获取系统由w l l 露胬枫、v c c ( 嘲汉一c 触q 0 蛇 一c h a n n e l ) 接口设备和c a n 队c 多分支系统组成，负责采集两万多通道的信号团j 。 b 嚣s i 数据获取系统的性能主要取决于b a d c 的数据处理时间和c 触彤屺至 w 姨的数据传输时闻。数据处理时闻约共1 2 撒s ，c 燃e 至硼豹数据传输率 为3 1 2 s 脚嘏。 3 。2b e s 秘数据获取系统 b e s i i 的事例触发率在2 0 i z 左右。b e s l l 的数据获取系统在b e s i 数据获取系 统的基础上做了改进。其前端部分是一套v m e c 触m 妃f a s 妊；u s 混合蒹统，除顶 熹探测器子系统是秘用黢s 疆u s 标准，其它子系统螯采用瞧蠢磁a c & 鑫珏矗 d 矗v 嚣结构，利用v m e 盼分布餐能和并行处理麓力，实现对备a 哦谯c 分支及f b 分支的驱动和高速数据通讯。整个b e s 数据获取系统由一臼a l p h “3 6 0 0 计算机 作为上位执，其主要饪务是完成在线数据获取系统各进程的调度，控制整个在线数 据获取系统麓运行融l 。 3 3b e s i i i 数据获取系统 b 黯c 鼗寨b e s 溅慰其各宣盼翦身帮教了缀大的改交，b 嚣s 疆原有的技米已经不 能用于b e s i 上f 2 棚。相应的，b e s i i i 数据获取系统也采用了与b e s i i 数据获取系 统完全不同的设计。 3 。3 。嚯系统翡主要任务 b e s i i i 数据获取系统的主要任务是获取通过一级触发判选后的前端电乎学事例 数据，经过两级计算机预处理和嵩速网络传输，将分布在各电子学读出机箱中的事 铡数据段迅速地汇集巍在线计算机系统上进行事铡毽装和过滤，整理成为完整靛畜 效事例，最终将标记的事例数据通过网络传送到计算中心记录到永久介戚上。 硕士学位论文 l 吐a s t e r st h e s i s 3 3 2 系统构成 b e s i i i 数据获取系统是基于前端电子学和触发判选的系统，由读出系统、在线 系统和校准系统及其它辅助厂服务系统组成。 b e s i i i 数据获取系统大规模运用先进的计算机和网络技术，采用多级并行处理 方案。最低一级为基于皿总线系统的读出机箱，由前端电子学读出插件( t d c 和a d c 等) 和一个作为控制器使用的处理机组成。每个啪读出机箱中的前端电 子学读出插件数不超过1 6 个，电子学信道数不超过1 0 2 4 个。若干个读出机箱通过 e 妇1 e f n e t 网络的百兆交换机连接到读出计算机，组成一个读出分支。所有读出分支 通过千兆交换机连接到在线计算机群，形成数据获取系统的数据流主干通路。来自 各读出分支的子事例数据包通过在线计算机群汇总成完整事例，并进行标记、处理 和监测，直到安全记录到永久介质上( 参见图3 1 ) 。 铀i k 昏蕾id 呻埘 xt 哪n “( p c x 8 ) 图3 1b e s i i i 数据获取系统示意图 3 3 3 在线系统 b e s i 在线系统的任务是将通过第一级触发判选后的事例数据传送到在线计算 1 4 机群进行事例组装和筛选( 软件触发) ，最后将通过软件触发的事例数据送到计算 中心写到存储介质中。 b e s 王i i 在线系统包括事例组装、事例筛选、事例分类、数据存储、运行控制、 单事例显示、直方圈曼示和进程鉴测等。 ( 1 ) 事例数据组装 b e s i i i 的事例数据获取将采用分级事例组装技术如图3 2 所示，第一级事例组 装过程是电子学读出机箱级的数据集中，当触发系统给出好事铡信号霹，旺机 箱中的p o w c ：r p c 将经过电子学插件将初步处理后的数据从电子学插件中读出，经过 非线性校正后组装成该读出机箱的数据段，存放在缓冲器中。各个读出机箱数据段 的组装是并行地进行的。第二级事例组装过程是读出分支级的数据装配，鼯对适当 数目的读出机箱进行编组，同一编组内的每个读出机箱通过快速以太溺交换机 ( 1 0 0 m b p s ) 与一台多c p u 、多网卡的读出p c 机相连，把存储在同一编组内的各 个读出机箱缓冲器内的数据段传送到p c 机上，组装成该读出分支的数据块，并存 储在读啦p c 机的内存中。根据读出通道数，各个子探测器的读出电子学可以编为 一个或多个读出分支。第三级事例组装过程是事例级的数据组装，b e s i 在线系统 把分散存储在各读出p c 机内存中的数据块通过千兆以太网交换机，传送到计算机 群豹某一个节点，该节点的计算机将这些数据块缰装成一个完整的事例数据，并对 事例数据进行筛选，最后把筛选过的事例数据传送到在线文件服务器上进行编号。 数据篾 数据段 皴攒决 攀鹾 僦组装级 圈3 2b e s l l l 数据获取系统搴铡组装煎拓羚圈 蓑臻奄擎攀 革元 读如机稽 交换机 p c 概 交换机 事骥； 萋逡 计算机释 硬件平裔 硕士学饿论文 l 喱a s t e r st h e s i s ( 2 ) 在线数据流程 b e s i i i 在线系统的数据流向如图3 3 所示，具体描述如下： 1 读出p c 机对数据进行读出分支级的装配后，通知在线计算机群管理器 某一事例号的事例数据块已准备好，等待读出； 2 在线计算机群管理器收到所有的读出p c 机发来的事例准备好信号后， 通知其中空闲的计算机群节点n 读出对应事例号的数据块； 3 计算机群节点珏从所有的读出p c 枫中读出对应事侧号的数据块； 4 计算机群节点n 对该事例数据块进行组装、格式转换、在线筛选和分类 等处理，并将结果送到在线文件服务器； 5 。在线文件服务器收到计算机群节点歉送来的事例数据后，通知在线计算 视群管理器对应事例号的数据己处理完毕，累计一定的事例爵进行存 盘、传送到计算中心进行记带操作等； 6 通知计算机群节点n 和所有读出p c 机释放对应事例号的数据缓存。 嚣爹瓣爹嚣爹 运学醐嚣零 节赢l节点2麓蠢x 一” 1 水 瀚3 。3b e s 珏l 在线数据获取系统数据流向图 在线计算机群管理器选用可靠性高的工作站。计算机群管理器内有两个队列， 一是从读出p c 机得到的待组装事例号队列，另一个是从机群来的空闲节点队列。 计算机群管理器根摄这两个队列通知指定的计算机群节点舞各读出p c 规读取某一 事例的数据块，必须保证同一个事例号的数据块都传送到同一台计算机机群节点 中。所有数据处理的任务都在该计算机群节点完成。 1 6 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s ( 3 ) 事例筛选 在线事例筛选也被称为第三级软件触发判选，即在计算机群节点上完成事例组 装任务后，用软件方法对事例进行筛选，迸一步地压缩本底，以减小数据的记带率。 与硬件触发判选相比，软件筛选可以采用更为灵活、复杂的算法，如主漂移室的快 速径迹拟合、电磁量能器簇射团的快速寻找等。在事例筛选过程中，在线机群将填 充和累积事例数据的直方图，并对事例按强子、b h a b l l a 、p 斗、宇宙线等事例类型进 行分类，供上位机的查询和监测。 ( 4 ) 事例数据存储 经过在线事例筛选后，b e s i i i 数据获取系统要记录的事例率约为3 0 0 0 h z ，预期 记带率超过4 0 mb y t e s s e c 。事例数据经千兆以太网交换机传送到在线文件服务器上 进行编号并存储。事例数据按r i 烈号组装后，形成磁盘文件，然后通过网络发送 到计算中心转储到永久介质上。 ( 5 ) 上位机系统 上位机系统负责实验进程的监测和运行控制，提供人机交互。上位机由多台高 性能工作站和p c 机组成，分别承担不同的任务，如运行控制、单事例显示、直方 图显示和运行状态显示等。上位机可以监测某一个在线机群节点上累积的直方图， 还可以监测所有节点获取的直方图之和以及对各个节点随机抽样的单事例显示图。 ( 6 ) 数据库管理系统 b e s i 数据获取系统和离线分析系统使用的数据库系统都是由i 如弹计算中心 提供支持。b e s i i i 数据获取系统需要建立相应的b e s i i i 数据库管理系统。主要功 能是提供b e s i 的各类运行参数及共享数据管理。事例数据并不直接存储在数据库 中，但b e s i i i 数据库管理系统要提供关于事例数据的信息管理支持。 ( 7 ) 系统刻度 由于探测器和电子学系统在运行期间受到环境变化影响，性能指标会发生晃动。 因此，需要经常进行系统刻度，以纠正这种系统误差。刻度系统获得的刻度参数被 存放到数据库中，供读出系统使用。 1 7 硕士荦饿论文 m a s t e r st h e s i s 第四章漂移室结构 漂移室是b e s l l l 重要的子探测器，负责测量g o 对撞新产生的末态带电粒子的径 迹和动量，同时通过测量电离能量损失鉴别带电粒子，还为在线触发提供重要信号。 漂移室的原型是多丝正比室，如今漂移室已经是种在粒予物理实验中被广泛使用 的气体探测器。它在实验中主要有三个方面的斑用圈： 1 ) 测量带电粒子径迹并由此测定反应( 或衰变) 顶点； 2 ) 测量带电粒子在磁场中的偏转，从而确定粒子动量； 3 ) 测量带电粒子在气体中的电离能量损失，进而鉴别粒子。 被探测粒子穿过漂移室时，与室内的气体介质发生楣互作用( 即电离作用) 蔗产 生电离电子，从而在经过的路径上留下一条由初级电离电予所组成的径迹。初级电 离电子在漂移室内电场的作用下向阳极丝漂移，到达阳极丝附近时产生电子雪崩， 实现气体放大。从粒子穿过漂移室到阳极丝上瞻显出现电脉冲信号这一段时间，称 为电离电子的漂移时间，这段时间的大小与粒子径迹到阳极丝的最近距离密切相 关。因此通过测量粒子的漂移时间就可以得到漂移距离，从而确定入射粒予的位置 【1 】 o b e s i i i 的物理目标为莨粲能区的精确测量和新物理的寻找，它要求精确嵩效遗重 建e + e 反应的遍举末态。这对作为中心径迹探测器的漂移室提出了严格要求： 要有接近4 的大立体角覆盖； 高的径迹探测和重建效率； 好的动量分辨并结合粒子鉴别达到好的质量分辨； 为带电粒子的一级硬件触发提供信号； 好的d 彰戤分辨，提供对低动量带电粒子的鉴剐； 能重建次级衰变顶点，如晒、a ，能为外层探测器提供较好的径迹外推； 在高本底的环境下能安全稳定地运行，并有长的工作寿命。 为了满足以上的要求，b e s l i l 漂移室被设计为一个使用低质量材料包括氦基混 合气以及铝丝在内的小单元圆柱漂移室。其总体结构如图4 1 所示。漂移室外室的端 面板设计为包含台阶结构的特殊形状，在这种设计下外室端面被分为台阶和大端板 两部分，同时可以让包含内2 3 个丝层的立体焦覆盖达到粥4 嚣。 1 8 4 。1 机械结构 图4 。lb e s l l l 漂移室总体结构示意匿 考虑到束流管对撞区的高本底对漂移室寿命的影响和束流管等部件的安装方 便，漂移室将分成两部分，内室和外室【。 为减少漂移室内物质量，内室设计成一个无外篱的开放型的室体，由内室端面 板和内桷组成，其结构图如图4 2 所示。所有丝的张力由内室的内桶承担。 ： l i，一一 。饕 “箩 r f ， ， ， ， ， 一 l 隧4 2 内室结构瀚 漂移室井室由井桶和两端面板组成。外室的内半径为1 8 2 5 m m ，外半径为 8 1 0 m m ，其在内半径处有效长度为1 1 0 2 m m ，在外半径处的有效长度为2 3 0 6 皿n 。 外室的最大立体覆盖角在c o s 嗍9 3 ，最后一层信号丝