（物理电子学专业论文）tof触发系统研究和设计.pdf

t o f 触发系统研究和设计攻读硕士期问发表的论文 攻读硕士期间发表的论文 1 张艳丽阮福明何正淼安琪王砚方，基于。c l 武网络编程实现局域网上计算机与 m p c 8 6 0 之间的通信，计算机t 程，第3 0 卷第6 期，2 0 0 4 年3 月。 2 张艳丽安琪王观方，基于p c b 仿真的高速时钟电路设计研究，计算机仿真，论文已 被接收。 3 。 张艳丽安琪刘树彬，基于v m e 总线的高精度信号发生器的设计，核技术，论文已被接 收。 4 张艳丽何正淼阮福明，无线通信测试平台的研制，“华为杯”科技论文竞赛三等奖。 一一 t o f 触发系统研究和殴计致谢 致谢 首先，我要感谢我的导师安琪教授和王砚方教授，本篇论文是在两位老师的悉心指导下 完成的。他们严谨治学的科学态度、广阔渊博的学识经验、孜孜不倦的追求精神以及一丝不 苟的工作作风对我产生极大的影响，令我受益匪浅。我在快电子学实验室学习和工作的四年 中，他们在我的学习上、科研工作上还有生活上都给予了极大的指导和帮助，正是在两位老 师的关心和鼓舞下，使我在求学乃至人生的道路上不断地追求发展与进步，在此，我向他们 表示最衷心的感谢。 在本文完成过程中，快电子学实验室的刘树彬老师给予了我非常多的指点和帮助，在此 向其表示衷心的感谢。另外，在论文项目进行中，得到了实验室的宋健、刘继国、吴品玉、 赵雷同学的大力支持，没有他们的帮助，论文工作不会进行得如此顺利，在此对他们深表感 谢。 同时还要向快电子学实验室的王永刚、汤家骏、赵智宏、宋克柱、张万生、程伊敏老师， 何正淼、阮福明、沈文博、陆增援、周世龙、郭建华、刘序宗、赵龙、李玉生、刘广栋、刘 小桦同学表示感谢，感谢他们在我的学习和工作上的帮助。 向中国科学技术大学、近代物理系快电子学实验室致敬，没有“勤奋学习，红专并进， 理实交融”的良好学术氛围，没有快电子学实验室良好的工作学习条件，就不可能有我今天 的成长。 最后，还要深深的感谢我的父母，以及我的男朋友，多年来他们的支持使我能够始终以 良好的心情和健康的状态学习和工作。 感谢身边所有关心和爱护我的朋友们，他们给予我的亲情和友情以及对我无私的关怀和 鼓励，我将终生难忘。 谨以此文献给所有关心爱护我的人。 t o f 触发系统研究和设计摘要 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 于1 9 8 8 年1 0 月建成。 它的成功建造及其在t 粲物理研究中取得的重大成果使中国高能物理研究在世界上占领了 一席之地。目前，中国科学院正在对b e p c 的对撞机和探测器进行重大改造( b e p c i i ) 。 b e p c i i 的重要部分，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 ) 作为目前世界上唯一工作在p 粲物理能区的大型实验装置也正在进行升级改造( b e s i i i ) 。 b e s 的触发系统是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 i i 的升级要求b e s i i i 的 触发系统也需要进行重新设计。 飞行时间( t o f , t i m eo f f i ：i g h t ) 触发系统是b e s i i i 触发系统的一部分，负责为整个触 发系统提供位置信息、背对背信息以及击中数信息等，对事例进行选择，使事例率达到主触 发能够承受的程度。本论文工作就是对t o f 触发系统的研究和设计。 本文的第一章绪论部分，对北京正负电子对撞机升级改造工程、北京谱仪、北京谱仪的 触发系统以及t o f 触发系统都进行了简单的介绍。 第二章给出了t o f 触发系统的物理目标，从物理的角度介绍了t o f 触发系统需要完成 的触发判选任务。同时，回顾了b e s i i 的t o f 触发系统，指出了为适应b e s i i i 的升级改造， t o f 触发系统进行的相应改造以及使用的先进技术。 第三章是本文的重点，这一章详细阐述了t o f 触发系统的具体设计，包括控制模块、 数据接收模块、预处理模块、触发判选模块、时钟模块、电源模块、数据传输模块等各个部 分。重点介绍了t o f 触发判选功能的实现，以及与光纤传输相关的设计。另外，本章还介 绍了高速数字电路设计中常用的阻抗控制、传输线匹配等技术，以及一些常用的p c b 设计 技术。 论文的最后一章介绍了t o f 触发系统的一些测试结果，包括系统时钟性能( 时钟偏差 和时钟晃动) 的测试，不同数据接收通道接收到的数据之间的时间偏差的测试，以及系统中 各个可编程逻辑芯片功能的验证。 t o f 触发系统研究和设计 a b s t r a c t a b s t r a c t i n1 9 8 8 ，b e i j i n ge l e c t r o n p o s i t i o nc o l l i d e r ( b e p c ) w a sb u i l t t h es u c c e s s f u lb u i l d i n go f b e p ca n di t sr e s e a r c ha c h i e v e m e n ti nt a u - c h a r mp h y s i c si n d i c a t e dt h a th i g h e n e r g yp h y s i c s e x p e r i m e n to f c h i n ao c c u p i e das i g n i f i c a n tp o s i t i o ni nt h ew o r l d b e s i i i ( b e i j i n gs p e c t r o m e t e r ) i s a r li m p o r t a n tp a r to f t h eu p g r a d ep r o g r a mo f b e p c ( b e p c i l ) a tt h et a n 。c h a r me n e r g yr e g i o nw i t h al u m i n o s i t yo f1 0 3 3c i n - 2 s ，t w oo r d e r sh i g h e rt h a np r e s e n tm a c h i n e b e gt r i g g e rs y s t e mi si nc h a r g eo ff a s te v e n ts e l e c t i o na n ds y s t e mc o n t r o l ，w h i c hn e e dt o c h o o s ei n t e r e s t i n gp h y s i c se v e n t sf r o mv e r yh i g hb a c k g r o u n da n de n m p a e td a t at ot h ee x t e n tt h a t d a t aa c q u i r e m e n ts y s t e mc a nd e a iw i t h a l lp a r t so fb e s i i i ，i n c l u d i n gt o f ( t i m eo ff l i g h t ) t r i g g e rs y s t e mn e e dt om a k e a l lu p g r a d ea c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to f b e p c i i - t o ft r i g g e rs y s t e mw i l lp r o v i d ep o s i t i o ni n f o r m a t i o n , b a c k t o - b a c ki n f o r m a t i o n ，h i tn u m b e r i n f o r m a t i o na n do t h e r st ot h eg l o b a lt r i g g e rs y s t e m ，a n dm a k eae v e n ts e l e c t i o ni no r d e rt or e d u c e t h ed a t ar a t eo ft h eg l o b a lt r i g g e rs y s t e mt h i sp a p e ri sf o c u so nt h es t u d ya n dd e s i g no ft o f t r i g g e rs y s t e m c h a p t e ro d eo ft h i st h e s i si sa l li n t r o d u c t i o no fb e p c i i ，b e s i i i ，b e s i i it r i g g e rs y s t e ma n d b e s i i it o ft r i g g e rs y s t e m c h a p t e rt w oi l l u s t r a t e st h ep h y s i c sp r o p o s ea n dt h et r i g g e rt a s ko ft o ft r i g g e rs y s t e m ，a n d s h o w st h ea d v a n c e dt e c h n i q u e st h a tw i l lb eu s e di nb e s i i it o ft r i g g e rs y s t e m ，b yc o m p a r i n g w i t hb e s i it o ft r i g g e rs y s t e m c h a p t e rt h r e e 西v e st h ed e t a i l so f t o ft r i g g e rs y s t e md e s i g n ，i n c l u d i n gt h ec o n s i d e r a t i o na n d s c h e m eo f e a c hp a r to f t o ft r i g g e rs y s t e m , s u c ha ss y s t e mc o n t r o lm o d u l e ，d a t ar e c e i v i n gm o d u l e ， p r e t r e a t m e n tm o d u l e ，t r i g g e rm o d u l e ，c l o c km o d u l e ，p o w e r m o d u l e ，d a t at r a n s i t i o nm o d u l ea n ds o o n t h es c h e m eo ft o ft r i g g e ra n dt h ed e s i g n sr e l a t e dt oo p t i c a lf i b e rt r a n s m i s s i o na r cm a i n l y i n t r o d u c e d a n dt h i sc h a p t e ra l s oi l l u s t r a t e si m p e n d e n c ec o n t r o l ，t r a n s m i s s i o nl i n em a t c ha n do t h e r p c bd e s i g nt e c h n i q u e s ， t h el a s tc h a p t e rs h o w st h et e s tr e s u l to f t o ft r i g g e rs y s t e m ，i n c l u d i n gt h ep e r f o r m a n c eo f t h e s y s t e mc l o c k , s k e wb e t w e e nd a t ar e c e i v i n gc h a n n e l s ，a n df p g a f i m e t i o ni nt o ft r i g g e rs y s t e m t o f 触发系统研究和设计 绪论 第一章绪论 i i 北京正负电子对撞机升级改造工程简介 北京正负电子对撞机( b e p c ，b e i j i n g e l e c t r o n p o s i t r o n c o l l i d e r ) 于1 9 8 8 年1 0 月建成。 它的成功建造及其在t 粲物理研究中取得的重大成果使中国高能物理研究在世界上占领了 一席之地。 b e p c 主要由注入器( b e l ，b e i j i n g l i n a c ) 、输运线( t r a n s p o r t a t i o n l i n e ) 、储存环( s t o r a g e r i n g ) 、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 ) 、同步辐射装置( b s r f , b e i j i n gs y n c h r o t r o n r a d i a t i o nf a c i l i t y ) 、计算机中心( c o m p u t e rc e n t e r ) 等几大部分组成，如下图所示。 图1 - 1b e p c | l 的结构图 注入器是一台2 0 0 米长的直线加速器。用于为储存环提供能量为1 1 1 5 5 g e v 的正负电 子束。输运线连接注入器和储存环，将注入器输出的正负电子分别传送到储存环里。储存环 是一台周长为2 4 0 4 米的环型加速器，它将正负电子加速到需要的能量，并加以储存。用于 高能物理研究的大型探测器一北京谱仪位于储存环南侧对撞点。同步辐射装置则位于储存环 第三和第四区，在这里。负电子经过弯转磁铁和扭摆器时发出的同步辐射光经前端区和光束 一3 一 t o f 触发系统研究和设计绪论 线引至各个同步辐射实验站。 b e p c 的主要科学目标是开展f 轻子与粲物理和同步辐射研究。为此，b e p c 有两种运 行模式：兼用模式优化于高能物理对撞实验，同时也提供同步辐射光：专用模式专用于同步 辐射研究。 北京正负电子对撞机升级改造工程( b e p c i i ) 的建设目标是对对撞机和探测器进行重 大改造。对撞机的改造采用当今世界上最先进的双环交叉对撞技术( 如图1 2 所示) ，即在 b e p c 现有的储存环内增建一个储存环，使得改造后的亮度比目前提高约两个数量级，在质 心系能量3 7 7g e v 时达到3 - 1 0 x 1 0 ”c m - 2 s _ 1 。同时北京谱仪将进行全面改造，提高测量精度， 减少系统误差，并适应b e p c i i 高计数率运行的要求。改造后的北京正负电子对撞机将在世 界同类型装置中继续保持领先地位，成为届时国际上最先进的双环对撞机之一，为我国在今 后相当时期内继续保持t 一粲物理研究的国际领先地位，攀登世界科学高峰，取得原始剑新 性物理成果奠定基础。 图1 2b e p c i i 双环结构示意 b e p c i i 的物理目标是在t 一粲能区进行精确测量，探索新的物理现象。b e p c i i 建成后， 将希望在t 一粲物理前沿课题取得多项具有世界领先水平的重大物理成果：寻找胶子球，夸 克一胶子混杂态和奇异粒子；寻找p l 和n 。：精确测量c k m 矩阵元：研究粲夸克偶素谱及其 一d t o f 触发系统研究和设计绪论 衰变性质；研究轻强子谱和重子激发态；精确测量2 - 5g e v 能区强子的r 值：研究d 物理， 精确测量衰变常数f o 和缸；研究t 轻子物理，寻找d o - | o 混合和c p 破坏等等。 b e p c i i 将采用射频超导、高功率微波、高精度电磁场、稳流和脉冲电源、超高真空、 高电压、精密机械、计算机自动控制、高性能超导磁铁、高精度粒子探测器技术、新型快电 子学、p c 集群并行处理、区域存储网络、大型数据库系统等一系列国际上最先进的高精尖 技术，以提高b e p c i i 的整体水平，寻求原始创新性物理成果。 下面是b e p c 和b e p c i i 一些参数的对照口j ， 表1 1b e p c 和b e p c i i 参数对照表 项目 b e p cb e p c i i 单位 柬流能量1 o 2 5 1 0 2 8 g “ 注入能量 1 _ 3l _ 8 9 g e v 周长 2 4 0 42 3 7 5m 对撞周期8 0 08n s 高频频率 1 9 9 5 3 34 9 9 8 m h z 束流强度 2 09 1 0m a 峰值亮度 1 1 0 3 1 ( 3 0 - 1 0 0 ) x1 0 3 c m 2 s 1 1 2 北京谱仪简介 北京谱仪是工作在北京正负电子对撞机上的大型通用磁谱仪，用于测量正负电子对撞后 产生的遍举末态反应，研究末态粒子的性质及其相互作用的规律。b e s 实验包含有十分丰 富的物理课题，如轻强子谱学、粲夸克偶素谱、粲介子衰变性质、q c d 、t 物理、稀有衰变、 胶球和其它非纯夸克态寻找等。 北京谱仪安装在储存环南对撞点上。谱仪总重量为5 0 0 多吨，长约6 米，高和宽各7 米。中心漂移室、主漂移室、簇射计数器和飞行时间计数器置于4 0 0 0 高斯的螺旋线磁场中。 谱仪的外围是缪子探测器棚。 为了配合b e p c i i 的改造，b e s 目前进行第三期升级改造工程，称为b e s i i i 。b e s i i i 的设计目标如下： 1 )非常好的光子能量分辨率、好的角度分辨率和光子识别能力； 2 )精确测量低动量带电粒子的动量； 3 )好的强子识别能力； 4 ) 建造一套性能优良的，运行于高事例率下的前端电子学系统。 下面是b e s i i 和b e s i i i 一些参数的对, n m ， t o f 触发系统研究和设计 表1 2 探测器参数的比较 子系统b e s i l lb e s i i c r x y = 1 3 0 b t m 2 5 0 i t m a p p = 0 6 1 g e v 超导 主漂移室 2 4 1 g e v 1 4 1 g e v 常规 c r a w a x = 6 7 8 5 。 电磁量能器 a e 4 - i = 3 l g e v 2 0 1 g e v ；o 5 c r n 1 g e v3 c m l g e v t r = 9 0 p s 桶部1 8 0 p s 桶部 飞行时间探测器 1 1 0 p s 端盖3 5 0 p s 端盖 u 子计数器9 1 0 层3 层 1 0 t e s l a 选择1 磁铁 0 4 t e s l a 0 4 t e s l a 选择2 b e s i i i 的探测器如下图所示，主要包括以下几个部分： 图1 3 b e s i i i 探测器结构图 1 )单丝分辨率好于1 3 0 1 x r n 的h e 基气体漂移室； 2 )能量分辨率好于3 1 g e v 的c s i 量能器； 一6 一 t o f 触发系统研究和设计 3 )时间分辨率好于8 5 p s 的飞行时间系统： 4 j 场强为1 0 t e s l a 的超导螺线管磁铁； 5 )基于r p c 的“子室系统： 6 ) 触发系统； 7 ) 数据获取系统； 8 1 离线数据分析系统。 1 3 北京谱仪触发系统简介 b e s 的触发系统是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 i i 的高流强要求b e s i i 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间隔时间内作一次第一级判选，还有所有探测器以及所有电子 学都要重新设计，因此必须对b e s i i i 的触发系统也进行重新设计。 u ul juuuul j l ju u u uu u u u u u 一3 2 u s ， 图1 4 b e s i h 触发系统框图 b e s i i i 触发判选系统由主漂移室( m d c ，m a i nd r i f tc h a m b e r ) 寻迹、飞行时问计数器 ( t i m eo f f l i g h tc o u n t e r ) 击中、电磁量能器( e m c ，e l e c t r o m a g n e t i cc a l i b r a t o r ) 、口子( m u ， m u o n ) 击中、径迹配对( t r a c km a t c h ) 、总触发( g t l ，g l o b a lt r i g g e rl o g i c ) 及控制等子系 统构成。图1 4 为b e s i i i 触发系统的框图。由于电子学读出系统采用流水线的工作方式， t o f 触发系统研究和设计 硬件触发只需要一级。来自各个子探测器的电子信号经过v m e 机箱中的相应触发电路的处 理后生成基本的触发参量。这些参量包括t o f 子探测器的击中时间和击中数，漂移室径迹 数和位置信息，以及电磁量能器中的击中时间、簇团数及其位置信息等。这些参量在总触发 逻辑单元中汇总并进行时间匹配，如果满足预定的触发条件，则产生级触发信号l 1 。l l 信号然后通过数据获取( d a q ，d a t a a c q u i r e m e n t ) 系统的数据流控制电路或快控制电路经信 号分配插件送到各个子探测器的读出控制电路。 p m t8 0 t o f bp m t 图1 - 5b e s i i l t o f 系统框图 b e s i i it o f 触发系统为整个触发系统提供击中数及相邻击中的张角和是否背对背等击 中信息，对事例进行选择，使事例率达到主触发能够承受的程度。图1 5 为t o f 系统的原 理方框图。b e s i i i 桶部t o f 闪烁体两端光电倍增管的输出信号首先经过甄别器甄别以后， 进行时间平均处理以减小时间晃动，成为个击中信息。端盖t o f 闪烁体的信号是单端读 出的，所以端盖t o f 信号只需经过甄别器处理，就可以作为一个击中信息。对击中数进行 计算后给出大于l 和大于2 等击中数信息，同时根据闪烁体上的击中信号给出击中位置信息， 并将这些信息送给径迹配对电路和主触发逻辑进行整体判选。 t o f 触发系统研究和设计 参考文献： 1 h t t p ：w w w i l a e p a c c n e n g l i s h e b e p c m d e x h t m 2 北京正负电子对撞机重大改造工程可行性研究设计方案，中国科学院高能物理研究所内 部文档，2 0 0 2 1 1 1 5 。 【3 1 。姜晓山，b e s i i i 主漂移室时间测量的研究，中国科学院高能物理研究所博士学位论文， 2 0 0 3 。 9 一 t o f 触发系统研究和设计 第二章t o f 触发系统的物理目标 第二章t o f 触发系统的物理目标 触发判选系统是一个高能物理实验中的快速实时事例选择和控制系统，它从大量的本底 中实时地挑选出物理上感兴趣的事例，并且决定前端电子学及数据获取系统对每次对撞执行 的动作。 对一个触发判选系统的要求为“： 1 )对好事例的判选效率要高。尽量接近1 0 0 。如果做不到1 0 0 其效率也应该确 切可知，以便在物理分析时校正。 2 )尽可能多地排除本底。至少要达到数据获取系统能够接受的程度。新的探测器对触 发判选系统的本底排除本领的要求越来越高。例如b e s 要把本底从3x1 0 5 s 。1 降低 到1 5 s ，即本底排除比为2 x1 0 4 。而l h c 上的实验要把本底从4 1 0 7 s 。降低到 1 0 0 s ，本底排除比为4 x1 0 5 。但是仍要适当保留未判选的本底事例，用以检查触 发系统和探测器的工作状况。 3 )判选速度要快以减少由于触发判选造成的死时间损失。 4 )灵活可变，以适应不断变化的实验条件和物理要求。 2 1t o f 触发系统的物理要求 t o f 触发系统需要接收来自前端电子学的全部信号经过触发判选之后，将背对背信 息、位置信息、击中数信息等送给总触发系统以及径迹配对电路，用于最终的触发判选。对 于t o f 触发系统的物理要求如下吐 2 1 1 背对背信息 t o f 触发系统需要根据粒子对撞的物理原理提供用于触发判选的背对背信息。t o f 背 对背信息指的是从对撞的中心看，当一个对撞事例在某块t o f 闪烁体上产生了击中，则在 对面的相应区域里检查是否也有击中。若有，则给出背对背信息。t o f 背对背信息应与 4 0 m h z 系统时钟同步，呈流水线( p i p e l i n e ) 输出。 1 0 t o f 触发系统研究和设计第二章t o f 触发系统的物理h 标 单层桶部取层桶部端盖 b 图2 1 背对背信息示意图 背对背信息总共3 b i t s ，桶部l b i t ，端盖l b i t 。桶部与端盖组合l b i t 。具体的信号组合方 案如下。 1 桶部 图2 - 1 a 是桶部背对背信息的一个示意图。对于每一次粒子对撞都有可能有一部分次 级粒子击中桶部的部分闪烁体。 对于单层t o f 的方案，桶部共有8 8 块t o f 闪烁体，对应于每一个击中，都可能有一 个对面相应的区域也产生击中，形成背对背信息。所以，直观地看应有4 4 种组合。桶部 背对背信息应是所有组合的“或”逻辑。 根据粒子对撞之后次级粒子的飞行情况模拟结果，具体的触发判选方案如下：如果一块 闪烁体( 编号记为n ) 上面有击中，并且与其正对面的闪烁体( 编号记为n + 4 4 ) 及其左右 各6 块闪烁体( 编号记为n + 3 8 n + 4 3 ，n + 4 5 n + 5 0 ) 中任何一个有击中，那么就认为桶部 产生l b i t 背对背信息。整个检测只需对8 8 块闪烁体的一半即：连续的4 4 块闪烁体进行即 可。 对于双层t o f 的方案，桶部每层有8 8 块t o f 闪烁体，两层共1 7 6 块闪烁体。对于背 对背信息的组合方式为，首先将上下两层闪烁体的信号做“与”逻辑然后按照单层t o f 的背对背信息处理方案进行组合。 2 端盖 图2 1 b 是端盖背对背信息的一个示意图。对于每一次粒子对撞，都有可能有一部分次 级粒子击中端盖部分的部分闪烁伴。t o f 中每个端盖共有4 8 块t o f 闪烁体，两个端盖共有 9 6 块闪烁体。同桶部t o f 类似，对应于每一个击中。也都可能有一个对面相应的区域产生 击中，形成背对背信息。所以，直观地看。应有4 8 种组合。 根据粒子对撞之后次级粒子的飞行情况模拟结果具体的触发判选方案如下：如果一个 一一 t o f 触发系统研究和设讣第二_ ：_ 章t o f 触发系统的物理目标 端盖上的一块闪烁体( 编号记为n ) 上面有击中，并且另一个端盖上与其正对面的闪烁体( 编 号为n + 2 4 ) 及其左右各4 块闪烁体( 编号记为n + 2 0 n + 2 3 ，n + 2 5 n + 2 8 ) 中任何一个有 击中，那么就认为端盖产生l b i t 背对背信息。整个检测只要对一个端盖的4 8 块闪烁体进行 即可。 3 桶部和端盖 对于每一次粒子对撞，都有可能有一部分次级粒子既击中桶部的部分闪烁体又击中端 盖的部分闪烁体。这种情况发生在次级粒子击中桶部和端盖交界处的闪烁体的时候如何产 生这个信息还需要经过进一步具体的模拟后给出要求。 2 1 2 位置信息 位置信息提供被粒子击中的闪烁体的位置数据，用于总触发系统判断对撞产生的次级粒 子的飞行方向。t o f 位置信息由桶部位置信息和端盖位置信息两部分组成。t o f 的位置信 息应与4 0 m h z 系统时钟同步，呈流水线输出。 1 桶部位置信息 对于单层t o f 方案，桶部的8 8 块t o f 闪烁体应独立地给出它们的位置信息，因此， 桶部将产生8 8 个位置信息信号。如果使用双层t o f 方案，桶部双层t o f 的上下对应闪烁 体输出应符合( “与”逻辑) 后产生一个位置信号。 2 端盖位置信息 与桶部位置信息略微不同，每一个端盖的4 8 块t o f 闪烁体只产生2 4 个位置信息信号， 也就是说，每相邻的两块t o f 闪烁体输出做“或”逻辑产生一个位置信息信号。因此端 盖部分的位置信息由两端共4 8 个位置信息信号组成。 2 1 3 击中数信息 击中数信息用来统计在一次事例里面，闪烁体上面有多少次击中。当在一个周期内有一 次击中，我们给出击中数信息为n 1 ；如果有两次和更多的击中，我们给出击中数信息为 n 2 。 由于一个事例中的多次击中可能发生在不同的时钟周期内，我们考虑相邻两个时钟周期 内的击中都算作一个事例。这样可能会出现对于一个事例，在一个时钟周期内有一个n 1 ， 下一个周期产生n 2 。这些信息都送给总触发逻辑，最后在离线分析中处理。 t o f 触发系统研究和设计第二章t o f 触发系统的物理i ：1 标 t o f 的击中数信息应与4 0 m h z 系统时钟同步，呈流水线输出。 2 2b e s i i it o f 触发系统的实现 2 2 1 国际一些大型物理实验的经验 2 2 1 1p a l ov e r d e 中微子振荡实验 位于美国亚利桑那州的p a l o v e r d e n u c l e a r g e n e r a t i n g s t a t i o n 是美国最大的核电站，在这 里进行的p a l ov e r d e 中微子振荡实验的主要目的是在距离核电站反应堆约l k m 的距离处寻 找中微子震荡。实验以核电站反应堆作为电子反中微子源，测量电子反中微子光谱，并寻找 证明吒斗以振动的畸变现象。 虽然实验中信号率很低( 每天约5 0 个事例) ，但是由于来自自然辐射和宇宙线的中微子 本底是十分巨大的，整个实验系统需要一个快速有效的触发，以最大可能地减小死时间。 p a l o v e r d e 中微子振荡实验的触发系统是在一个2 0 3 c m 3 6 1 c m 的4 层印刷电路板上实 现的。整个触发系统分为两级，第一级触发负责对所有的高阈击中信号进行“或”逻辑组合， 同时控制模拟数字变换( a d c ，a n a l o g t o d i g i t a l c o n v e r t e r ) 芯片开始电荷收集工作。第二级 触发逻辑将对所有的高阈和低阈信号按照一定的物理要求进行组合运算，根据判选结果控制 a d c 的数字化、数字化停止，以及时间数字变换( t d c ，t i m et od i s t a lc o n v e r t e r ) 芯片的 工作。根据空间信号的物理位置，p a l ov e r d e 中微子振荡实验的空间探测器被分为2 8 组 ( g a n g ) ，每组由3 5 个探测单元组成。为了降低触发判选时间，触发系统对于这2 8 组信 号的处理是并行进行的。第一级触发判选时间为4 0 n s ，第二级触发判选时间为l o o n s 。 p a l o v e r d e 中微子振荡实验的触发系统具有1 6 0 个e c l ( e m i t t e r - c o u p l e d l o g i c ) 和8 个 n i m ( n u c l e a ri n s t r u m e n tm o d u l e ) 电平的信号输入接口，以及1 6 个e c l 和和8 个n i m 电 平的信号输出接口。主要的触发判选逻辑都是在一个x i l i n x 公司的现场可编程逻辑( f p g a ， f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ) 芯片x c 4 0 2 5 e x 中完成的。这种设计方案使得触发系统的触 发逻辑可以随时更新，使系统触发逻辑的改进以及触发判选系统的升级成为可能。 p a l ov e r d e 中微子振荡实验触发系统的这种触发逻辑可实时更新性、系统的灵活性，使 得该触发系统也可以应用于其他具有相同接口信号的物理实验中，也为我们b e s i i i 的t o f 触发系统的设计提供了重要的参考眈 t o f 触发系统研究和设计第二章t o f 触发系统的物理目标 2 2 1 2l h c 的t c c 系统 欧洲核子中心( c e r n ) 正在研制的超级对撞机l h c ( l a r g eh a d r o nc o l l i g e r ) 将是世界 上最高能量的质子一质子对撞机，在它的两个对撞点上将分别安装各具特色的a t l a s 和c m s 两个高能物理实验，开展粒子物理前沿的研究课题。其质心系能量为1 4 t e v ，亮度为 1 0 ”c n l s 。l h c 的主要物理目标是探索期待以久的h i g g s 机制，该机制能驱动弱电标准模 型图像中的自发对称性破缺。a t l a s 探测器的主要物理目标为在最可能的质量区寻找h i g g s 粒子。除此之外，还可以寻找类w ( w l 妇) 和类z ( z - l i k e ) 粒子，这些粒子可以来自超 对称( s u s y ) 粒子，或是基本费米子的复合粒子( c o m p o s i t e n e s so f t h e f u n d a m e n t a l f e r m i o n s ) 。 a t l a s 探测器也适用于研究b 衰变中的c p 破坏以及详细地研究t o p 夸克h 。c m s ( c o m p a c t m u o ns o l e n o i d ) 探测器是一个紧凑子螺线管探测器，它要在很高的对撞率和很大的能量 范围下通过鉴别和精确测量u 子、电子和光子来清晰地探测各种新物理图像，除了研究质子 一质子对撞之外，还要进行重离子对撞研究”。 l h c 的触发时序、控制( t t c ，t r i g g e rt i m i n ga n dc o n t r 0 1 ) 系统负责整个l h c 系统的 触发时序控制。t t c 是个复杂而庞大的系统由多个功能模块组成，包括：v m e 总线 接口模块( t t c v i ) ，光发送模块( m u l t i p l e x e r , e n c o d e ra n d f i b e r o p t i c s t r a n s m i t t e r ) ，光纤信 号驱动网络( f i b e r o p t i c sd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ) ，光纤信号接收和用户处理模块( f i b e r - o p t i c s r e c e i v e r a n d t t c r x ) 。t t c 系统中触发、控制等信息的远距离传输是通过光纤来实现的，如 图2 2 所示”j 。 t t c 系统将时序信号( b c ) ，以及来自中央触发处理器( c t p ，c e n t r a lt r i g g e rp r o c e s s o r ) 的触发和控制信息( l i 气b c r , e c r 等) 送给l h c 的各个子探测器( 包括a t l a s 、c m s 等) 的读出和前端系统。t t c 系统有两种光纤传输信道a 和b 。a 负责传输l 1 a 触发信 息，b 负责传输控制地址、数据命令包等。a 、b 通道上面的信号经过时分多路复用( t d m ， t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x e d ) 处理和双相位标记编码( b i - p h a s em a r ke n c o d e d ) 以后，送到光 纤发送设各。由这个设备，或者是光纤发送模块来驱动光纤信号网络。光纤信号在光纤信号 接收和用户处理模块上转化为用户可用的电信号，再送给具体的子探测器电子学模块。 l h c 的t t c 系统中使用的光纤传输技术，实现了t t c 系统与l h c 其他电子学模块之 间的长距离信号传输，为b e s i i i 的t o f 触发系统的设计方案提供了一定的技术参考。 一1 4 t o f 触发系统研究和设计第章t o f 触发系统的物理日标 v m e b u s l h co r b t l v l l a o c t e s t t 曲 s ”c 趋g o ， l h c a o c k 圉2 - 2l h c 的t 1 系统结构功能模块 2 2 2 从b e s i i 到b e s i i it o f 触发系统的改进 2 2 2 1b e s i i 的t o f 触发系统 在b e s i i 中，考虑到t o f 触发系统需要处理的来自前端电子学的信号数目十分庞大， 同时触发逻辑又十分复杂t o f 触发系统的功能是由多个c a m a c ( c o m p u t e ra i d e d m e a s u r e m e n ta n d c o n t r 0 1 ) 和n i m 模块来共同完成的，系统框图如图2 3 所示”j 。 b e s i i 的t o f 触发系统由t r 2 5 、t r 2 6 、t r 2 7 、t r 2 8 四种触发插件组成。总共8 个 c a m a c 模块。其中，t r 2 6 、t r 2 8 为端盖部分的触发逻辑模块。3 个相同的t r 2 6 模块负 责对来自前端电子学端盖部分的4 8 个击中信息进行锁存、3 0 n s 信号门控等功能，t r 2 8 模 1 5 t o f 触发系统研究和设计第二章t o f 触发系统的物理f l 标 块负责根据定约物理原则对这些信息进行组合判选。当经过几个时钟周划，完成触发判选 逻辑以后，t r 2 6 模块再对新的数据进行锁存，进行新一轮的触发判选。因此，在b e s i i 的 t o f 触发判选系统中，存在几个时钟周期的死时间。t r 2 5 、t r 2 7 为桶部的触发逻辑模块。 3 个相同的t r 2 5 模块负责对来自前端电子学桶部的9 6 个击中信息进行锁存、3 0 a s 信号门 控等功能，t r 2 7 模块负责根据一定的物理原则对这些信息进行组合判选。同样对于桶部 信号的触发判选也存在着一定的死时间。 图2 - 3b e s i it o f 触发系统功能框图 t o f 触发系统接收4 8 个来自前端电子学端盖部分的信号，以及9 6 个自前端电子学桶 部的信号。经过触发判选以后，将端盖部分的背对背信息( e t o fb - b ) 、击中数信息( e t o f 2 ) ，桶部的背对背信息( t b b ) 、击中数信息( n t o f ， 1 ，n t o f 二，2 ) 送给b e s 的第一级触发 判选系统；将用来和漂移室( m d c ) 径迹匹配的t o f 过阈分布信息送给t r 3 7 模块；将用 来和簇射计数器( e s c ) 径迹匹配的t o f 过阈分布信息送给t r 8 4 模块。 b e s i i 的t o f 触发系统与前端电子学之间的通信都是通过电信号的传输来进行的。信 号传输使用的是5 0 欧姆的同轴电缆，n i m 电平。 综上，b e s i i 的t o f 触发系统是在多个触发插件中共同完成的。每个插件完成的触发 功能完全固定，插件之间存在较多的信号连接，而且这些信号通信的功能也已基本固定。这 些设计上的限制为t o f 触发系统触发逻辑的修改、系统的升级带来了巨大的困难。要想在 不改变触发系统硬件结构的基础上，适应b e s m 的需要，是不可能的。另外b e s i 的t o f 触发系统在进行触发处理的过程中，存在一定的死时间，在这段时间里，很可能会丢失好事 一1 6 一 t o f 触发系统研究和设计 第二章t o f 触发系统的物理目标 例。b e p c u 的高流强要求b e s i i i 触发系统在比原来b e s i i 触发系统高得多的本底f 工作， t o f 触发系统的死时间带来的事例损失率将会明显增加。因此我们必须对b e s 的t o f 触 发系统进行改造，以适应b e p c i i 的实验需要。 2 2 2 2b e s i i i 的t o f 触发系统 在b e s i i i 的t o f 触发系统设计中，考虑到目前大型可编程逻辑芯片的处理能力和存储 能力的提高，同时借鉴当前国际上一些物理实验的经验，我们采用在一块v m e 模块上使用 大型可编程逻辑芯片阵列来实现所有复杂的触发判选逻辑。b e s m 的t o f 触发系统具有以 下一些特点： 1 ) 触发系统的可升级性 我们在b e s i i i 的t o f 触发系统的设计中。使用了现场可编程逻辑芯片阵列来执行 t o f 触发判选功能，同时我们选择的作为主触发处理的f p g a 在逻辑单元和存储器空 间上都具有较大的富余，这些为t o f 触发判选逻辑在不改变硬件设计的前提下进行升 级提供了可能的空间。另外，我们在t o f 触发系统的设计中，充分考虑了可能的t o f 探测器方案，在触