高等核電子學6-3

1、高能物理實驗中觸發(fā)和數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng),第3節(jié) 前端電子學系統(tǒng),前端電子學在數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)中的作用和組成 作用： 從探測單元提取信號，進行放大、成形等模擬處理，經(jīng)過數(shù)字化，為數(shù)據(jù)獲取主系統(tǒng)提供事例信息，同時為觸發(fā)判選系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。 位于數(shù)據(jù)源(即探測器)輸出端,3.1 前端電子學系統(tǒng)作用和組成,前端電子學在數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)中的作用和組成 組成： 信號處理單元 包括前置放大，成形放大和甄別器等 在高計數(shù)率情況下,不僅僅有信噪比方面要求，還有速度上要求，例如基線恢復等措施,3.1 前端電子學系統(tǒng)作用和組成,緩沖存儲單元 為了提高對撞機的亮度，LHC對撞機的對撞周期為25ns，這意味著在每25ns產(chǎn)生一次作用，

2、每次作用都有可能是需要記錄的事例，取舍與否決定于觸發(fā)判選系統(tǒng)。特別是第一級觸發(fā)系統(tǒng)，要在第一級觸發(fā)系統(tǒng)中完成一次觸發(fā)判選，判選時間達到2us，是對撞作用周期80倍，一次作用結果取舍必須等待80次作用之后才能決定。這就是為什么要有緩沖存儲單元的原因。,3.1 前端電子學系統(tǒng)作用和組成,3.1 前端電子學系統(tǒng)作用和組成,數(shù)字化電路 包括甄別、ADC、TDC和地址編碼等，將模擬量轉換為數(shù)字量,數(shù)據(jù)通道零壓縮和數(shù)據(jù)緩沖 事例內(nèi)篩選出有意義的通道，剔除無意義的通道數(shù)據(jù)，使每個事例所占有的字節(jié)數(shù)減少 ，來減小原始數(shù)據(jù)速率，即為數(shù)據(jù)通道零壓縮。通常采用DSP來完成。 第一級觸發(fā)判選之后事例數(shù)據(jù)繼續(xù)需要被緩沖

3、存儲，等待第二級觸發(fā)判選取舍的決定，同時起到解隨機的作用。,3.1 前端電子學系統(tǒng)作用和組成,3.2 前端電子學系統(tǒng)探測單元信號處理,半導體探測單元信號處理 高能物理中半導體探測器 半導體探測器早在上世紀七、八十年代已廣泛應用在它具有極好的能量和空間分辨以及快的相應時間，在廣泛應用。 傳統(tǒng)上是由高阻單晶硅材料制成的，目前還在研究體探測器，金剛石探測器也是有望可以開發(fā)的一種 在高能物理中，以下列形式應用： pixel detector 象素探測器 microstrip detector “微條”探測器,3.2 前端電子學系統(tǒng)探測單元信號處理,半導體探測器的示意圖,3.2 前端電子學系統(tǒng)探測單元信

4、號處理,硅微條探測器工作原理,3.2 前端電子學系統(tǒng)探測單元信號處理,半導體探測器工作原理： 電離粒子穿過探測器，沿著其徑跡產(chǎn)生電子空穴時，電子空穴對數(shù)正比于粒子在探測器內(nèi)的能量損失，探測器二端加上反偏的電場，使電荷對在復合之前由電極將其收集起來，在電荷收集過程中在電極上產(chǎn)生電流脈沖，其積分（即電荷）正比于粒子在探測器內(nèi)沉積的能量，通過電荷積分器和成形放大器將其讀出，其信號的幅度正比于電荷值，即正比于能量沉積。 由于產(chǎn)生電荷對所需的能量只有3.6ev（硅半導體探測器），比氣體電離能（30ev）和閃爍計數(shù)器中從光電轉換器件的光陰極上拉出電子所需的能量（300ev）要小。另一方面，在硅中平均能量損

5、失很高，大約390ev/m，每m產(chǎn)生110e-h對產(chǎn)額很高，因而使固有能量分辨很佳，在高能物理應用中最佳厚度為300m，電離粒子通過平均可以得到3.2104e-h對。,3.2 前端電子學系統(tǒng)探測單元信號處理,半導體探測器除有很高能量分辨之外, 另一個特點是其空間分辨很好，這是因為當代半導體工藝使探測單元可以做得很小，集成密度很高。具體有以下特性： 位置精度5m 雙徑跡分辨在10m以下 對于微條型探測器偏壓低于100v 時間響應小于5ns 安裝相對比較簡單 對前端讀出電路的要求： 低噪聲，高靈敏，快響應，抗輻射，高計數(shù)率，低功耗，高集成度,3.2 前端電子學系統(tǒng)探測單元信號處理,半導體探測器前端

6、讀出電路包括： 前置放大器（一般為電荷靈敏放大器） 成形放大器 甄別器和甄別閾設置電路,3.2 前端電子學系統(tǒng)探測單元信號處理,閃爍計數(shù)器中光電轉換器的前端讀出電子學 閃爍計數(shù)器被廣泛用于核物理和高能粒子物理實驗中。它是利用某些化合物在帶電粒子通過或光激發(fā)后能發(fā)射短的光脈沖特性，通過光電轉換器件將其轉換成電脈沖信號。電脈沖信號的電荷量一般正比于閃爍體發(fā)射的光產(chǎn)額，即正比于粒子沉積在閃爍體中能量，因此它可以用來測量粒子的能量?？祉憫W爍體與快光電轉換器件相配合，可以得快的輸出信號，信號的上升和下降時間可以小于1ns，因此它可以用來作為時間測量。 在高能物理實驗中，閃爍計數(shù)器常用作定時（飛行時間T

7、OF計數(shù)器），快事例選擇（觸發(fā)計數(shù)器，或為描跡儀中提供快邏輯信號），在量能器中，閃爍計數(shù)器往往是關鍵部件。,3.2 前端電子學系統(tǒng)探測單元信號處理,閃爍計數(shù)器中光電轉換器的前端讀出電子學 高能物理中閃爍計數(shù)器 無機閃爍體：晶體，玻璃體 常用的無機閃爍晶體有： NaI(Tl),CsI(Tl), BaF2,BGO等 有機閃爍體：晶體、塑料和液體 常用的有機閃爍晶體 蒽（C14H10）,萘（C10H8）等 閃爍計數(shù)器中常用的光電轉換器有： 光電倍增管（PMT) 光電二極管（PD),3.2 前端電子學系統(tǒng)探測單元信號處理,閃爍計數(shù)器中光電轉換器的前端讀出電子學 光電倍增管PMT讀出前端電子學 PMT作

8、為探測單元輸出部分在高能物理實驗中有廣泛應用: 可接在量能系統(tǒng)中閃爍晶體之后； 可作為RICH（環(huán)狀成像契侖科夫計數(shù)器）和飛行時間計數(shù)器TOF的輸出部分。 無論用在何種情況，脈沖到達時間需要精確記錄，大多數(shù)情況下還需要記錄脈沖高度 輸入信號經(jīng)前置放大之后分成二種不同增益的放大成形，其目的是為了得到很大動態(tài)范圍，同時有較高能量分辨 作為幅度測量，每次主時鐘將放大器輸出存儲在模擬存儲單元之中，事例一級判選之后選通進入ADC 前放信號經(jīng)過甄別，作為TAC的時間標記信號，TAC輸出存儲在模擬存儲單元之中，事例一級判選之后選通進入ADC 甄別器另一路輸出作為一級觸發(fā)判選予處理器的輸入，經(jīng)處理后送到一級觸

9、發(fā)判選系統(tǒng),3.2 前端電子學系統(tǒng)探測單元信號處理,3.2 前端電子學系統(tǒng)探測單元信號處理,3.2 前端電子學系統(tǒng)探測單元信號處理,3.2 前端電子學系統(tǒng)探測單元信號處理,絲室讀出電路 高能物理實驗中絲室 多絲室是一種氣體探測器。布有平行、等間隔一組陽極絲的平面夾在二個陰極平面之間，組成了多絲室，室內(nèi)充滿一定氣壓的電離氣體。在陰極與陽極之間加以電壓，當帶電粒子通過多絲室時，產(chǎn)生電離，電子和正離子分別在電場作用下向陽極和陰極運動，最后被收集。在運動過程中，在電極上感應出電流脈沖，這就是氣體探測器工作基本原理。通常電流脈沖信號從陽極絲輸出，只有粒子通過的陽極絲才有信號產(chǎn)生，因此多絲室可以用來定位，

10、陽極絲間的間隔一般在mm量級，因此定位精度也可以達到mm量級。 如果陽極與陰極之間電壓加得足夠高，在陽極絲周圍形成很高電場，在電場作用下，電子進入高場區(qū)（在陽極絲周圍極小空間），電子動能很大，因而會產(chǎn)生再電離，甚至雪崩式電離，使電荷量激倍增，即稱為氣體放大作用。在這種條件下，電極收集到的電荷量遠比原始電荷量大得多。在一定電壓范圍內(nèi)，氣體放大倍數(shù)是常數(shù)，這樣組成的多絲室即為多絲正比室。多絲正比室不僅可以用來定位，也可以測量帶電粒子在室內(nèi)沉積的能量，作為dE/dx測量,3.2 前端電子學系統(tǒng)探測單元信號處理,絲室讀出電路 多絲室類型很多，如： 多絲正比室（Multi-Wire Proportion

11、al Chamber) 漂移室 （Drift Chamber) 時間投影室 (Time Project Chamber) 噴注室 (Jet Chamber) 時間擴展室 (Time Expansion Chamber) 薄間隙室 (Thin Gap Chamber) 等等 多絲室的主要參數(shù)為： 單次和多次擊中的探測效率 空間分辨和雙徑跡分辯 死時間,3.2 前端電子學系統(tǒng)探測單元信號處理,3.2 前端電子學系統(tǒng)探測單元信號處理,3.2 前端電子學系統(tǒng)探測單元信號處理,3.2 前端電子學系統(tǒng)探測單元信號處理,絲室讀出電路 讀出電路 絲室通常多作為位置探測，最簡單為多絲正比室，其前端信號處理由放大

12、器甄別器（具有較低閾值）和鎖存電路等組成。 TGC信號提取和模擬處理的放大、成形和甄別電路的原理框圖,3.3 前端電子學系統(tǒng)ATLAS前端電子學系統(tǒng),ATLAS 子譜儀,Muon Detectors,Muon.Toroidal Magnets,示意圖,3.3 前端電子學系統(tǒng)ATLAS前端電子學系統(tǒng),高動量的末態(tài)子是LHC上高能物理實驗中最主要的物理信號之一 ATLAS探測器中有一個高分辨子譜儀，子具有很強穿透能力。通常是基于在一個強磁場系統(tǒng)中子徑跡的偏轉來測量它們的動量和能量 對撞機高能實驗中探測器系統(tǒng)是4空間范圍內(nèi)進行探測，因而各種類型探測器在4立體角內(nèi)布局。通常分為桶部和端蓋二部分，子譜儀

13、也是按桶部和端蓋部分進行布局。子譜儀位于整個ATLAS探測器系統(tǒng)的最外層，它包住了其它探測器。,ATLAS 子譜儀簡介,子譜儀有二大部分 一部分是產(chǎn)生子徑跡偏轉的強磁場超導磁鐵系統(tǒng)，在ATLAS子譜儀中有三個磁鐵系統(tǒng)，一個是用于桶部的子徑跡偏轉，另外二個用于兩個端蓋部分子徑跡偏轉； 另一部分是測量子徑跡的探測器 這些探測器分為二種類型： 一類是用于在磁場主偏轉方向測量子徑跡座標的精密子探測器，它們分別由MDT（監(jiān)測漂移管）和CSC（陰極條室）來完成 另一類是主要用于觸發(fā)的觸發(fā)型探測器，它們主要用來提供觸發(fā)信息，同時提供非主偏轉方位的第二個徑跡座標）。按不同部位觸發(fā)型探測器又分為二種，一種是位于

14、桶部的，采用RPC（阻性板室），另一種位于端蓋部位的，采用TGC（薄間隙室）,ATLAS 子譜儀簡介,子譜儀中觸發(fā)用的探測器,LHC上質(zhì)子束團對撞時間間隔為25ns，用來標記哪一個束團對撞產(chǎn)生的末態(tài)子，必須要求子譜儀中探測器時間分辨優(yōu)于25ns，而作為精密測量子動量的徑跡的MDT和CSC，在時間分辨能力達不到這樣要求，因此子譜儀中必須安裝上時間分辨能力很好的探測器，專門用來確認束團（Bunch Cross Identification），這就是子譜儀中與精密測量探測器相配合的觸發(fā)探測器,子譜儀中觸發(fā)用的探測器,在ATLAS探測器子譜儀中在桶部采用阻抗板室（RPC），而在端蓋部分采用薄間隙室（T

15、GC）。RPC是充氣平行板探測器，而TGC是工作在飽和模式下多絲正比室，它們的時間分辨均優(yōu)于5ns，兩個區(qū)域采用兩種不同探測器是出于不同的計數(shù)率，不同的本底條件、不同的空間分辨率要求和成本等諸多因素考慮。,子譜儀中觸發(fā)用的探測器,觸發(fā)探測器有三重目的： 束團的確認，要求時間分辨優(yōu)于束團間的時間間隔25ns 在磁場中進行橫動量PT的切割（觸發(fā)甄別），要求探測器單元顆粒線度在1cm量級 提供垂直于精密室測量方向的第二個座標測量，典型的空間分辨為510mm,子譜儀端蓋部分布局,端蓋部分用TGC作為子觸發(fā)型探測器,包括M1三層型TGC站和M2、M3兩個雙層型TGC站,ATLAS TGC前端讀出電子學綜

16、述,3-D PS-Pack,TGC結構,TGC前端放大器、成形電路和甄別器,Patch-Panel 結構,TGC前端讀出的組織結構,TGC前端讀出總體連接,三層型（triplet）TGC緩沖存儲和解隨機器,ATLAS電磁量能器,ATLAS-電磁量能器讀出系統(tǒng),一個量能器，其所要獲取的信息是末態(tài)粒子沉積在探測單元中的能量。反映在電子學電路中，即為輸出脈沖的幅度，在作用頻率很高的實驗中（如ATLAS)，觸發(fā)系統(tǒng)滯后時間遠大于作用周期時，對于模擬信號需要存儲一段時間，等待觸發(fā)判決結果來決定它的取舍，其前端讀出模塊中，必須有一個模擬存儲用來暫存模擬信號， ATLAS-電磁量能器前端讀出模塊就是其中一個

17、例子,ATLAS-電磁量能器前端讀出模塊,ATLAS-電磁量能器前端讀出模塊,前端讀出模塊（FEM）包括以下幾種模板： 帶精密脈沖源的校正板 前端板,完成： 放大和成形模擬信號 將幾個探測單元信號模擬相加為TBB板提供信息 把模擬信號存儲成流水線模擬存儲器中，等待一級觸發(fā)系統(tǒng)取舍 將選中事例信號數(shù)字化 通過光纖傳送數(shù)字信號到ROD（off-Detector） TBB板完成為觸發(fā)處理器提供觸發(fā)數(shù)據(jù)的予處理 控制板：接收和分發(fā)主時鐘，一級觸發(fā)接收信號和其它同步信號接收和分發(fā)配置控制機箱內(nèi)各塊板的控制信息,ATLAS-電磁量能器前端讀出模塊,Overview-TGC Read Out System Architecture Architecture Slave B