（物理电子学专业论文）北京谱仪（besiii）飞行时间读出电子学系统设计与实现.pdf

中国科学技术大学博士论文摘要 摘要 北京正负电子对撞机( b e p c ，b e i j i n ge l e c t r o np o s i t r o nc o l l i d e d 目前是国际上工作在 - 粲能区的唯一高亮度正负电子对撞机。它主要由直线加速器、束流运输线、储存环、北 京谱仪( b e s ，b e i j i n gs p e c t r o m e t e r ) 和北京同步辐射装置等组成。 b e p c 自1 9 8 9 年建造投入使用后，在1 9 9 6 年对加速器和探测器均进行了升级，使性能 有了相当大的改进。升级后，对撞机仍称为b e p c ，而谱仪则称为b e s i i 。但经过几年的运行， b e p c 和b e s i i 已经不能满足要求，同时它也存在着老化的问题，所猷目前高能物理研究所 正进行b e p c 和b e s 的再次升级，升级后的对撞机称为b e p c i i ，对应的谱仪为b e s i i i 。 b e s i i i 由主漂移室、电磁量能器、飞行时间谱仪和p 子计数器等组成。其中飞行时问谱 仪t o f ( t i m e o f - f l i g h t ) 是用来测量带电粒子飞行时间的探测器，其主要功能是通过所测量的 飞行时阆信息，结合主漂移室测得粒子的动量和径迹，从而辨别粒子的种类。t o f 分桶部 和端部两个部分。作为b e s 升级的一部分b e s i i i 的飞行时间计数器精度将得到大幅度的 提高( 桶部的探测精度由1 8 0 p s 提高到9 0 p s ，端盖由3 5 0 p s 提高到1 1 0 p s ) ，其中要求t o f 读出电子学系统( r e a d o u ts y s t e m ) 的时间测量精度好于2 5 p s 。本论文将讨论b e s i i i 飞行时 间读出电子学系统，特别是其中的前端电子学模块( f e em o d u l e ，f r o n te n de l e c t r o n i c m o d u l e ) 所涉及到的各种技术以及设计和实现细节。 通常对模拟信号的时间测量由定时甄别和时间数字转换构成。本文的第二章介绍了前沿 定时、过零定时、恒比定时和a r c 定时的特点。其中前沿定时和恒比定时是物理实验常用 的两种定时方式。前沿定时结构简单，但需要做“时间游动”修正，常见的修正方法有幅度 修正、电荷修正、波形数字化等。恒比定时虽然能够消除幅度对定时的影响，但其结构相对 比较复杂。 定时后的信号送入时间数字化t d c 芯片中进行量化。第三章详细介绍了t d c 的一些技 术指标和常见的架构。通常t d c 实现的方法除了使用计数器直接量化外，还可以先将其转 化为幅度、距离等物理量后再量化，不过对于绝对的时间测量一般都采用计数器法。计数器 法结构简单、容易集成，将它结合时间内插技术可以获得高精度的全数字化t d c 。第三章 的最后部分介绍了欧洲核子中心开发的高性能全数字化t d c ：h p t d c 。 第四章到第六章主要围绕b e s i i i 飞行时间谱仪读出电子学系统的设计、实现和测试展 开讨论。第四章首先介绍了国际上几个探测系统的t o f 读出电子学系统如l m c 的a 1 i c et o f 、 k e k 的b e l l et o f 、费米实验室的c d ft o f 、布鲁海文实验室的s t a rt o f 。b e s i i i 的t o f 读 出电子学系统在借鉴这些系统的电子学的基础上，结合自身的特点，提出了前沿定时和利用 电荷测量修正“时间游动”效应的方案。电荷测量采用了先将电荷转换为时间宽度再量化的 方式，这样定时后的时问量化和电荷测量的量化都可以采用统一的量化器：h p t d c ，从而大 大简化了设计。 第五章介绍了t o f 读出电子学系统的设计。t o f 读出电子学系统包括了前放和v m e 机箱 系统，其中v m e 机箱系统中由以下几个部分组成：负责测量时间和电荷的前端电子学读出模 块( f e em o d u l e ) 、负责4 1 m h z 的系统时钟扇出的时钟扇出模块( c l o c kf a n o u tm o d u l e ) 、 负责机箱各f e e 模块控制和状态读出的快控制模块( f e ef c t r lm o d u l e ) 、负责发送t o f 快 时间响应信号的后插模块( f e er e a rm o d u l e ) 。本章着重介绍了t o f 前端电子学f e e 模块的 实现细节。 第六章介绍读出电子学系统的测试。测试主要针对前端电子学模块的时间测量和电荷测 量两个方面性能，分为三个阶段：实验室环境下的电子学测试、实验室环境下宇宙线测试和 中国科学技术大学博士论文摘要 束流环境下的测试。实验室环境下的电子学测试主要利用可编程的信号源模拟光电倍增管的 信号输入到前端电子学模块中测量时间精度、电荷精度( 线性、噪声误差等) 、温漂影响 等。宇宙线测试是利用探测器系统搭建的望远镜系统测试宇宙射线下的前端电子学时间测量 精度。而束流实验是为了验证在加速器的恶劣环境下，多种不同粒子束( 质子、电子等) 击 中闪烁体时前端电子学的测量精度。所有的测试都表明，设计的t o f 读出电子学系统能够达 到2 5 p s 的测量精度能够满足b e s i i i 对t o f 的要求。 i i ! 里型堂垫查查量竖主堡壅 塑蔓 a b s t r a c t t h eb e i j i n ge l e c t r o np o s i t r o nc o l l i d e r ( b e p c ) w a sb u i l ti n1 9 8 9a n di t sr e s e a r c hf i e l dc o v e r s t a up h y s i e s ，c h a r mp h y s i c sa n dt h ep r e c i s er e s e a r c ho fs t a n d a r dm o d e l b p e cc o n s i s t so ft h e i n j e c t o r , t h es t o r a g er i n g ，t h et r a n s p o r t a t i o nl i n e ，t h eb e i j i n gs p e c t r o m e t e r ( b e s ) ，t h eb e i j i n g s y n c h r o t r o nr a d i a t i o nf a c i l i t y ( b s r f ) ，e t c t h e r eh a sb e e na nu p g r a d ei n1 9 9 6f o rb e p c a n dt h eb e p c 1 3 e sa r ec a l l e db e p c 1 3 e s i i a f t e r w a r d t oi m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c ea n ds o l v i n gt h ep r o b l e mo fa g i n g ，b e p cw i l lb e u p g r a d e da g a i n a n dt h en e wv e r s i o no f b e p c b e sw i l lb en a m e db e p c i i 1 3 e s i i i b e s i i ic o n s i s t so fm a i nd r i f tc h a m b e r ( m o o ，e l e c t r o m a g n e t i cc a l o r i m e t e r ( e m c ) ， t i m e o f - f l i g h tc o u n t e r ( t o f ) a n d i d e n t i f l er ，t r i g g e rs y s t e m ，e t c t h ep u r p o s eo ft o fi st o m e a s u r et h ef l i g h tt i m eo fc h a r g e dp a r t i c l e s p a r t i c l ei d e n t i f i c a t i o ni sm a d eb yc o m p a r i n gt h e m e a s u r e dt i m ea g a i n s tp r e d i c t e dt i m e o b t a i n e df r o mt h ec h a r g e dp a r t i c l et r a c kl e n g t ha n d m o m e n t u mg i v e nb yt h em a i nd r i f tc h a m b e r t h et o fa l s op r o v i d eaf a s tt r i g g e rs i g n a lf o r c h a r g e dp a r t i c l e s ，a sw e l la sc o s m i cr a yb a c k g r o u n dr 司e c t i o n t h et o fo fb e s i i ic o n t a i n st h e b a r r e lp a r ta n de n d c a pp a r t t h er m st i m er e s o l u t i o no fb a r r e lp a r tw i l lb el e s st h a n9 0 p sa n dt h e e n d c a pp a r tw i l lb el e s st h a nl1 0 p s ，t om e e tt h er e q u i r e m e n to fb e s i i it o f - t h er e a d o u ts y s t e m o ft o f ，c o n s i s t so ft h ef r o n te n de l e c t r o n i c ( f e e ) a n dr e a d o u te l e c t r o n i c w i l lc o n t r i b u t el e s s t h a n2 5 p sr m su n c e r t a i n t y t h i st h e s i sm a i n l yd i s c u s s e st h ed e t a i lo ft h ei m p l e m e n to fb e s i i i t o fr e a d o u te l e c t r o n i cs y s t e m n o r m a l l y , t i m em e a s u r ei si n c l u d i n gt i m ed i s c r i m i n a t i o na n dt i m et od i g i t a lc o n v e r t e r ( t d c ) ， i nt h ec h a p t e r2 ，w ed i s c u s st h ec h a r a c t e r i s t i co fl e a d i n ge n dd i s c r i m i n a t o r , z e r o c r o s s i n g d i s c r i m i n a t o ra n dc o n s t a n tf a c t i o nd i s c r i m i n a t o r ( c d f ) a n da r cd i s c r i m i n a t o r l e a d i n ge n d d i s c r i m i n a t o ra n dc d fd i s c r i m i n a t o ra r ew i d e l yu s e di nh i g he n e r g ye x p e r i m e n t t h ea d v a n t a g eo f l e a d i n ge n dd i s c r i m i n a t o ri si t ss i m p l es t r u c t u r e ，e a s yt or e a l i z e da n di n t e g r a t e d b u ti th a st i m i n g e r r o rb e c a u s eo f t i m ew a l k e f f e c t s ot h er e s u ro fl e a d i n ge n dd i s c r i m i n a t o rn e e d st ob ec o r r e c t e d b yc h a r g em e a s u r e m e n to ra m p l i t u d em e a s u r e m e n t ，e t c ，c d fd i s c r i m i n a t o rc a ne l i m i n a t e t i m e w a l k e f f e c t ，b u ti ti sm o r ec o m p l i c a t e d i nc h a p t e r 3 ，s o m et y p e so ft d ca r ei n t r o d u c e d ，s u c ha su s i n gc o u n t e rm e t h o d ，t a c + a d c m e t h o d ，a n dd e l a yc h a i nm e t h o d c o u n t e rt y p ei st h em o s tc o m m o nt e c h n i q u ef o rt i m e m e a s u r e m e n t i ti sf u l ld i g i t a la n dv e r ys i m p l y b u tt h et i m er e s o l u t i o no fc o u n t e rt y p et d ci sn o t v e r yg o o d ( a b o u t1 n s ) b e c a u s eo f t h ef r e q u e n c yo f c o u n t e r m o r ep r e c i s ec o u n t e rt y p et d c c a nb e i m p l e m e n t e db yd e l a yc h a i ni n t e r p o l a t i o nt e c h n i q u eu s i n gt h i st e c h n i q u e ，c e r nh a sd e v e l o p e da h i g hr e s o l u t i o nt d c ，n a m e dh p t d c i nc h a p t e r4t oc h a p t e r6 ，t h ed e s i g na n dt e s to fb e s i i it o fr e a d o u te l e c t r o n i cs y s t e ma r e d i s c u s s e d i nc h a p t e r4 ，w ei n t r o d u c es o m ep a r t i c l ec o l l i d e r st o fe l e c t r o n i c ，s u c ha sb e l l e t o fi nk e k ，a l i c et o fi nl h c ，c d ft o fj nf e m il a b ，s 1 、a rt o fi nb n l b a s e do nt h e s u d yo ft h e s ee l e c t r o n i c sd e s i g n sp r i n c i p l ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fb e s i l lt o fd e t e c t o r , t h e b e s i i it o fr e a d o u te l e c t r o n i cs y s t e md e v e l o p sap r a c t i c a l s c h e m e ：u s i n gl e a d i n ge n d d i s c r i m i n a t o ra n dh p t d ct om e a s u r e m e n tf l i g h tt i m e ，a n du s i n gq t cc i r c u i ta n dh p t d ct o m e a s u r et h ec h a r g eo f t h eh i ts i g n a l i n c h a p t e r5 ，t h ed e t a i lo ft o fr e a d o u te l e c t r o n i cs y s t e mi si n t r o d u c e d i ti n c l u d e s u i 中国科学技术大学博士论文 摘要 p r ea m p l i f i e ra n do t h e re l e c t r o n i cm o d u l e si nv m ec r a t e t h e yc o n s i s to f1 4f e e ( f r o n te n d e l e c t r o n i c ) m o d u l e s 1f e ec l o c kf a n o u tm o d u l ea n d1f e e f a s tc o n t r o lm o d u l e t h ef u n c t i o no f f e em o d u l ei sm e a s u r et h ea i g h tt i m ea n dc h a r g eo ft h ec o m i n gh i ts i g n a l t h ec l o c kf a n o u t m o d u l ei sr e s p o n s i b l ef o rt h e4 1 6 5 m h zs y s t e mc l o c ko fa l lm o d u l e s a n df e ef a s tc o n t r o l m o d u l ew i l lr e c e i v et h ec o n t r o ls i g n a l ( s u c ha sl it r i g g e r ) f r o mg l o b a lt r i g g e rs y s t e ma n ds e n dt h e s t a t u ss i g n a lo f f e er e a d o u tm o d u l ea sw e l l i nc h a p t e r6 ，w ew i l l i n t r o d u c et h et e s tr e s u l to ft o fe l e c t r o n i c ，s u c ha st i m ea n dc h a r g e m e a s u r e m e n tp e r f o r m a n c e t h 0p r o c e s so ft e s ti si n c l u d i n ge l e c t r o n i ct e s tu s i n gs i g n a lg e n e r a t o r ， c o s m i ct e s tu s i n gt e l e s c o p es y s t e ma n db e a mt e s tu s i n gl h el i n a co fb e p ci ni h e ra l lt h et e s t r e s u l ts h o w st 1 1 a tt 1 1 ep e r f o r m a n c eo f t o fr e a d o u te l e c t r o n i cs y s t e mc a nm e e tt h er e q u i r e m e n to f b e s i i it o f i v 中国科学技术大学学位学位论文相关声明 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。除已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已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，允许论文被查阅或借阅，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。 作者虢 塾壅聋 阳 年厂月厂目 中国科学技术大学博士论文 第一章引言 第一章引言 1 1 粒子物理与加速器 人类社会对物质世界的不断深入认识是人类文明不断进步的标志之一，无论在欧洲还是 中国，人类从来役有停止过对周围物质世界的研究。古希腊有哲学家德谟克里特提出了朴素 的原子论，而相应的古代中国哲学家也提出了五行学说、太极学说等，但人类社会真正开始 系统、科学地认知这个物质世界的组成是从近代科学的发展开始的。 近代科学的发展特别是近代物理学的发展过程中，人们不断地发现了新的粒子，发展新 的理论模型，同时也不断改进实验手段。从最早的利用天然放射性粒子去轰击标耙到粒子对 撞机的建立，不断建立起来的大型物理实验装置，使得物理学家可以越来越有效地研究物质 世界的组成。但现代加速器随着能量的不断提高，往往一个国家已经难以承受它的造价，国 际合作成了它的一个必然的选择。经了多年的发展，世界上基本形成了八大高能粒子加速器 中心，其中位于中国北京的北京正负电子对撞机是其中之一。 1 2 b e p c 和b e s 1 2 1 北京正负电子对撞机( b e p c ) 图1 i b e p c 总体简图 北京正负电子对撞机( b e i j i n ge l e c t r o np o s i t r o nc o l l i d e r ，b e p c ) 目前是国际上工作在 t 粲能区的唯一高亮度正负电子对撞机【l 】白1 9 8 9 年建成以来，它已成功地运行了十几年。 中国科学技术大学博士论文 第一章引言 取得了一系列的研究成果，例如：t 轻子质量的精确测量、d s 粒子衰变常数的首次与模型 无关的直接测量、j u j 粒子共振参数的精确测量、r 值测量等。 b e p c 主要由束流能量为1 3 g e v 的直线加速器、束流输运线、束流能量为1 - 2 8g e v 的储存环、安装在南对撞区的探测器一北京谱仪( b e i j i n gs p e c t r o m e t e r ，b e s ) 和北京同步 辐射装置( b e i j i n g s y n c h r o t r o n r a d i a t i o n f a c i l i t y ，b s r f ) 组成，如图1 1 所示。运行过程中， b e p c 对撞机在1 5 5 g e v 达到的亮度值为5 x 1 0 ”c r t 3 2 s 1 ，是当年美国s p e a r i i 的8 倍，束 流能散度达到0 6 4 m e v ，为s p e a r j i 的沈o 1 2 2 北京谱仪( b e s ) 作为b e p c 最重要的组成部分之一，b e s 安放在b e p c 储存环南端的对撞区，正、负 电子束流在谱仪中心发生对撞。北京谱仪长约6 米，高、宽各7 米，重5 0 0 多吨，它的外观 如图所示。 图1 2 b e s 外观图 整个b e s 是一个八卦的形状，它主要由这几部分组成： 顶点室、主漂移室及其电子学系统顶点室是由长8 4 厘米的6 4 0 根漂移管组成 的圆筒形探测器，与主漂移室配合测量带电粒子的径迹和动量，还与飞行时间计数 器( t o f ) 配合做触发判选。主漂移室是长2 2 0 厘米、直径2 2 0 厘米的圆柱形探测器， 内部布有十层共1 9 3 8 0 根金属丝，相应的电子学钱路有3 2 0 道。 飞行时间计数器及其电子学系统分桶部和端部。桶部由4 8 根长2 8 米的塑料 闪烁体、光导和光电倍增管及电子学线路组成。端部由2 2 4 块梯形闪烁体及光导 光电倍增管、电子学线路等组成。飞行时间计数器的作用是测量带电粒子的速度。 簇射计数器及电子学系统桶部由2 4 层长度为3 8 5 米的1 3 4 3 0 个计数器单元组 成，有6 7 2 0 道电子学通道；两侧端部共有8 9 7 6 个计数器单元和相应的电子学通道， 其作用是给出带电粒子或中性粒子的能量。 2 中国科学技术大学博士论文 第一章引言 厅鉴别器及电子学系统有三层共1 5 0 0 多根4 米长的方形铝正比室及相应的 电子学线路组成。它可以记录穿透能力很强的厅，确定其击中位置。 螺旋线磁铁外径为4 米的螺旋线圈，与三层八角形轭铁、电源等组成谱仪磁铁 系统，可提供场强为4 千高斯的均匀磁场。 亮度监测器一用以监测对撞机的束流亮度。 触发判选、在线数据获取与分析、离线数据分析系统用快电子学线路对来自探 测器的大量数据进行高速度，高精度的贮存，判选和数字化处理。 1 3 b e s i i i 的升级改造 1 3 1 b e s i i i 的整体设计 b e p c 自建造后，在1 9 9 6 年对加速器和探测器均进行了升级，使性能有了相当大的改进。 升级后，对撞机仍称为b e p c ，而谱仪则称为b e s i i 但经过几年的运行。b e p c 和b e s i i 已 经不能满足要求，同时它也存在着老化的问题，所以目前高能物理研究所正进行b e p c 和b b s 的再次升级升级后的对撞机称为b e p c i i ，对应的谱仪为b e 5 s i i i 。 升级后的b e p c i i 是一个高亮度、多束团的对撞机，这就要求一个与其相配合的采用现 代探测技术的高质量探测系统一方面，现有的b e s i i 探测器面临严重的老化问题，其电子 学和数据获取系统不能支持多柬团模式；另一方面，1 0 0 倍的统计增加也要求相应的系统误 差的减少。因此，必须建造一个现代的探测器b b s i i i 以满足如下要求“： 1 )非常好的光子能量分辨率、好的角度分辨率和光子识别。 2 ) 精确测量低动量带电粒子的4 一动量 3 ) 好的强子识别能力。 4 )基于流水线技术的前端电子学系统可适应多柬团模式及现代数据获取系统。 图1 3b e s i i i 探测嚣结构图 3 中国科学技术大学博士论文第一章引言 圈1 ，3 展示了b f 嚣i i i 探测器的结构，它由如下各部分组成： 2 ) 单丝分辨率好于1 3 0 p o 的h e 基气体漂移室： 2 ) 能量分辨率好于3 钧1 g e v 的c s i 量能嚣： 3 ) 时间分辨率好于8 5 p s 的飞行时间系统； 4 ) 场强为1 o t e s l a 的超导螺线管磁铁； 5 ) 基于r p c 的珏子室系统 表l ，1 给出了b e s i i 和b e s i i i 探测器的比较。 子系统b e s i lb e s i d 。= 1 3 0 m2 5 0 0 m p p = o 6 i g e v 超导 2 4 1 g e v 主漂移室 1 4 l o e v 常规 o 口“= 6 7 g5 电磁量能器 a e 云= 3 i g e v 2 0 i g e v ( s 产- - o 5 e m 1 g e v3 c m i g e v o _ r - 9 0 p s 桶部1 s o p s 桶部 飞行对简探涮器 l t o p s 端盖3 5 印s 端盏 “子计数器9 - 1 0 层 层 磁铁 1 0t e s l a 0 4 t e s l a 1 3 2 飞行时间计数器( t o f ) 飞行时间计数器 l o f ( t i m e o f - f l i g h t ) 是b e s 中一个比较重要的组成部分哪! ，也是对时间 测量精度要求最高的部分。t o f 是用来测量带电粒子飞行时间的探测器，其主要功能是通 过所捌量的飞行对闻信息，结合圭漂移室测得较子的动量狃径迹，扶掰辨别粒子的种类；禺 时它也参加第一级触发判选；而且可以利用不同探测器输出信号之间的时间关系来排除宇宙 线本底。 t o f 计数器由探测器和测量电子学两部分组成，这个紧连这探测器的电子学，称为t o f 读出电子学系统( r e a d o u ts y s t e m ) ，作为b e g 升级的一部分。b e s i i i 的飞行时同计数器精 度将得到大幅度的提高( 桶部的探蒯精度由1 8 0 p s 提高到9 0 p s 端盖由3 5 0 p s 提高到i i o p s ) ， 从而大大增强了探测系统的粒子的鉴别能力。 一般飞行时间计数器的分辨率受多种因素影响，总的时间分辨率可表示为： c r = c r 之f c r 未耐曲憎+ c r 主覃曲瓶g 皓+ 露一# w 8 研+ 巧：h 灯+ c 础+ c r 三w 一珊孀 其中： 1 ) a t o f ，t o f 本征时间分辨。t o f 本征时间分辨与闪缘体和光电倍增管的性能、参 数直接褶关。如下面酚公式所示： f y t o f2压f 雨肛 中国科学技术大学博士论文 第一章引言 其中，l m 是闪烁体的衰减时间，l 是击中位置到光电倍增管的距离，锄| r 是光电倍 增管中光电子的渡越时间涨落，0 是光电子致与闪烁体的光产额、厚度、衰减长 度，光传输距离和光电倍增管的量子效率都有关： k * o ( a ) 厶e 以心窖( a ) 以 其中，五是光波长， n o ( 丑) 是单位厚度闪烁体的光产额，厶是粒子穿过闪烁体的厚 度，厶闪烁体的衰减长度，占( z ) 是光电倍增管的量子效率函数 2 ) a i 。肼。，束团时间不确定性。柬团时间的不确定性与加速器储存环中的高频时 钟和稳相精度有关。根据b e p c i i 的设计指标。其高频时钟周期为2 n s ，稳相精度为l 。，所以 本征的束团时间误差为5p s 。考虑到在读出过程中，时钟信号传输和寄存等会造成时间晃动， 希望这项误差达到2 0 p s 以内。 3 ) 仉，w 神，柬团长度形成的对撞时刻的不确定性。正负电子两个束团都有一定长 度，这样它们相撞的准确时刻无法知道。根据b e p c i i 的设计指标，束团长度为1 5 c m ，i p 5 0 p s 。 两束团相撞可以简化考虑为一个静止、一个运动，相撞发生的几率是两个束团密度的乘积。 这样，如果考虑两个束团密度都按高斯分布，其标准偏差将不确定性减少互倍，即3 5 p s 。 4 ) 口0 。一来源于粒子击中闪烁体的z 向定位的不确定性在测量飞行时间时，闪 烁体中的光传输对问必须要扣除其精度取决于由姗c 径迹重建外摧的闪烁体的z 向定位。根 据模拟，其精度为几个毫米，考虑到闪烁体折射率为1 5 ，这项误差约为2 l o s 。 5 ) o ：妇：， 来源于电子学时间测量。t o f 读出电子学时间测量的设计指标为2 5 p s 。 6 ) d k 。， 来源于预期飞行时间不确定性。t o f 粒子鉴别能力受测量与预期的粒子飞 行时间之差影响。预期的粒子飞行时间的精度取决于径迹长度和动量的精度。即m d c 的性能。 根据模拟，径迹长度的重建误差为毫米量级。在1 t e s l a 时，m d c 动量分辨率为0 6 。所以， 估计吒。的误差约为3 0 p s 7 ) c r ，船一诚，屯子学信号甄别时问游动效应带来的误差，来源子电子学阈效应的时 问修正过程。 t o f 中电子学时间测量精度要达到2 5 皮秒的水平，这是一个非常具有挑战性的工作。本 文将对t o f 读出电子学系统的设计进行讨论。 参考文献 1 高能主页：鲢主卫：z ! 型：i h ! p ：鲤：n z 垫鲤i b 竖i 型坠：b 地 2 b e p c i i 初步设计报告t e c h n i c a lr e p o r t ，中科院高能所，j u l y2 0 0 2 3 b e s i i i 初步设计报告t e c h n i c a lr e p o r t 。中科院高能所，s e p t2 0 0 2 4 北京正负电子对撞机重大改造工程可行性研究设计方案，t e c h a i c a lr e p o r t ，中科院 高能所，d e c2 0 0 2 【5 b e sc o l l a b o r a t i o n t h eb e su p g r a d e 【j 】n u c l 1 n s t r u m m e t h o d s , 2 0 0 1 ，a 4 5 8 ：6 2 7 - - 6 3 7 6 b e s i i i 主漂移室时间测量的研究，博士论文，江晓山，中科院高能所，2 0 0 3 7 b e , s i l l 飞行时间探测器的研制，博士论文，孙志嘉，中科院高能物理研究所，2 0 0 5 i s 塑料闪烁体飞行时间计数器的研究。博士论文。赵力，中国科学技术大学，2 0 0 6 中国科学技木大学博士论文第二章定时技术 第二章定时技术 在前面介绍b e s i i i 中，时间测量是一个非常重要的部分，如主漂移室和飞行时间计数 器。通常时间测量主要分为两个部分：定时和时间数字转化t d c ( t i m e t o - d i g i t a lc o n v e r t e r ) 。 定时的功能是找到所需的前端输入信号确定的时间点，将该时刻转换为定时逻辑信号定时 的结果送到时间数字转换电路进行量化，得到时间信息数字化的结果，这才完成了整个时问 的测量。 作为时间测量电路中一个重要的组成部分，定时的精度直接影响到了测量的性能。在核 电子学的发展过程中，人们提出了很多定时鸽方法，其中最主要的就是：前沿定时、过零定 时和恒比定时，在这里做一下介绍。 2 1 前沿定时 前沿定时是一种最简单的定时方法1 1 j ：前端过来的模拟信号输入到一个固定阈值的触发 电路( 甄别电路) 中，当其上升沿幅度超过所设定的阈值时，就产生一个逻辑脉冲作为定时 信号。 o t h r e s h o l c l i 厂 圈2 ，i 前沿定时示意图 t 图2 i 是前沿定时方法的示意图。从图上可以看出输入信号v i 产生的时刻为t - - 0 ，定时 电路输出v 。产生的时刻为，t l h 的大小与阈值电平v m 和输入信号的上升速率等密切相关。 v m 越小、输入信号上升速度越快则越小，也就是说定时甄别器输出时刻越靠近输入信号 的输入时刻，定时延迟越小。但是，甄别电路由于受到各种因素的影响( 如噪声、回滞电平 ( h y s t e r e s i s ) 等) v 0 不可能设得很小而输入信号的上升速率也是有限的，所以定时甄别 延迟总是存在予实际的电路中的。 7 中国科学技术大学博士论文第二章定时技术 2 1 1 信号摆率不同造成的时间移动误差 2 1 1 1 理想甄别器的定时误差 v 图2 , 2 时间游动效应示意图 前沿定时的阈值是固定不变的，因此对于不同幅度的输入信号其定时甄别延迟是不同 的。如图2 2 所示。对于相同形状( 上升时间) 的两个不同幅度的信号，定时时刻是不同的， 相差1 k 。这种不同幅度造成的定时差异，核电子学中称为“时间游动”效应。通常探测器 输出的信号具有各种不同大小的幅度，“时间游动”效应造成的定时最大误差基本和信号的 上升时间相当。 实际上，探测器输出信号不仅幅度在变化，其形状( 上升时间) 也在变化。上升时间也 同样影响到定时点。考虑一个随时间线性变化信号v j 。其上升时间为t r ，幅度为v f ，当它输 入到阈值为v m 甄别器时。幅度到达触发甄别阈的时间t h 为： k ：生 ( 2 1 ) v ， 假设输入信号幅度的范围为v h i 。和u 。，上升时间的变化范围为l n i n 和k 。，则前沿定 时造成的最大定时误差为： 耻皓一净 眩z ， 假设t o f 常用的闪烁体+ 光电倍增管组合的探测系统，信号上升沿在3 n s 到7 n s 之间，幅 度变化范围在2 0 0 m v 到4 0 0 0 m v 之间，阈值设为5 0 m v ，那么疗m 为i 7 n s 左右。 2 1 1 2 甄别器自身响应造成的定时误差 上面分析中把甄别器看作是理想的定时甄别电路，即假设甄别器在输入信号大于阈值电 平时立即输出定时逻辑信号。但实际上甄别器电路本身存在超阈延迟，也就是说甄别器在输 入信号刚超过阚电平时并不立即输出信号，而是要求输入信号幅度超过阈电平一定大小( 经 3 中国科学技术大学博士论文 第二章定时技术 过厅d 时间) ，能够供给触发电路附加电荷q 以后才被真正触发。下面来分析一下输入信号 的形状对超阈延迟昂d 的影响。 设甄别器输入阻抗为z ，则对于输入信号v i ，当输入到触发器的电荷积累到q 时有： q = r 孚露 c ”， 若阻抗z 为常数，v i t ) 在过阈处随时间线性变化，v 国在处上升速率为v ：；! 墅i 篓d 则可 d t 以计算得出： 拧d ； ( 2 - 4 ) 由上式可以看出，超阚延迟盘d 与信号的上升速率t ( k ) 的平方根成反比。即输入信号上升 越快，产生的超阈延迟就越小 2 1 2 系统噪声引起的时间晃动误差 实际使用的前沿定时电路中，除了输入信号幅度、形状造成的时问移动误差外，系统噪 声引起的定时晃动误差也是一个重要的误差来源。 系统噪声主要来源于探钡4 器、位于定时前面的模拟放大电路以及定时电路本身等。其中 探测器和前端模拟电路的噪声是叠加在输入信号上面的，而定时电路本身的噪声表现在甄别 器阈值电平的统计变化上 设前端输入信号在过阈的前沿斜率为v ：( f m ) ：! 查掣，输入信号上的电压噪声概率 饼 密度为正态分布，其均方根值为v m a 。则该噪声引起的过阂时间标准偏差为： 2 焉 q 劫 设阈值电平噪声电压变化的概率密度函数也同样服从正态分布，其均方根值为v m 。，则该噪 声引起的过阈时间偏蒡为： 2 丽y d m o ( 2 - 6 ) 这样，上面两个噪声引起的总定时标准偏差为： = 矾= 簪c ”， 从式中可以看出，为了减小噪声引起的定时误差应该把阈值电压v m 设在信号前沿的斜率最 9 中国科学技术大学博士论文 第二章定时技术 大处，当然减小定时晃动误差最根本的是要减小噪声本身 2 1 3 阈值设定 从前面的讨论可以知道，前沿定时的定时误差主要来自于信号摆率变化造成的时间移动 误差，以及系统噪声( 包括输入信号噪声和阈值噪声) 引起的定对晃动误差。为了比较各种 因素对定时误差的影响，定义触发比f ，为触发电平与输入信号最大幅度之比，即； 卜赢尝墼娶 ( 2 - 8 ) ，= 丽晤萌薪丽夏石 “嗡 由2 1 i 节的讨论可以知道，为了减小信号摆率对定时点的影响，应该尽量减小触发电平v m ， 但为了减小噪声引起的误触发和定时晃动，f 应该选择在彰( ) 最大的位置，而通常信号在 小幅度时上升速度比较慢，两者是矛盾的。为了综合各自的影响，定义斜率噪声比： 打：丛盟( 2 - 9 ) v 舯 式中v i ( t m ) 为输入信号在定时点k 处的斜率，v 。为噪声。在具体选择阈值电压v m 的值时 应根据信号幅度、形状计算出的f 和卵值得出v k 的大致范围，然后进一步在实验中调节v m 。 在实际应用中，通常选择触发电平v m 比噪声v i m 大2 到3 倍。 2 1 。4 前沿定时的修正 在前沿定时误差中，信号摆率造成定时点的移动是一种确定性的误差，它和输入信号形 状、大小密切相关。它和系统噪声造成的随机误差不同，它是可以通过各种方式进行削减的。 通常解决的办法有两种；1 ) 继续使用前沿定时，但使用各神辅助测量电路对定时结果进行 修正，如电荷一时间修正、幅度一时问修正等；2 ) 使用更为复杂的定时技术，如过零定时、 恒比定时等。本节将主要介绍前沿定时的修正技术。 由于定时点的移动主要是由信号的摆率不同造成的，所以如果能够利用附加电路测出前 沿定时的定时点在不同波形中的大致位置，就能够在后续的计算中对前沿定时的结果进行修 正。常见的方法有波形数字化一时间修正、幅度一时间修正、电荷一时问修正等 2 1 。 2 1 4 1 波形数字化 修正前沿定时点移动误差最直接的做法就是用模数转化芯片a d c 将信号的大致波形采 集下来，只要知道了脉冲的波形就可以准确地知道所设定的阈值在信号前沿中的位置。从而 推算出脉冲的起始点。 一般t o f 的脉冲宽度在十几纳秒的水平。上升沿往往只有3 7 n s ，如果想在一个上升 沿中采5 个以上的点，a d c 的采样频率至少要l g 以上。如果利用商业的实时采样a d c 。 则从造价、功耗、集成度上都无法满足高能物理实验的需要。下面介绍一种专门为粒子物理 实验开发