第二十講 時間測量方法

第二十講時間測量方法第1頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2011-05-04中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

2時間測量技術(shù)在物理實驗中的使用高精度時間測量……幅度/電荷測量VTC+TDC波形采集QTC+TDCTOT……第2頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月HPTDC在粒子物理實驗中的應(yīng)用TOF讀出電子學(xué)系統(tǒng)和Monitor控制/讀出BESIII2011-05-043中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

第3頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2011-05-04中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

4TOFReadoutSystemArchitecture352barrelpreamplifiers,16endcappreamplifierboardwith6channelsingroupTwoVME64xPCrates14FEEModules14FEE_RearModules1Fast_ControlModule1ClockModule1PowerPCcontrollercard1TOFMonitorModulelocatedinonly1crate第4頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2011-05-04中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

5Barrel&EndCapPreampilifer第5頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2011-05-046BarrelTOFFEEVME9Ucard16channels/moduleDualdisc.withleadingtimemeasurementNon-gatedQTCforchargemeasurementMeantimerprocessforfasttriggerinformation中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

第6頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月定時甄別電路作用確定代表某事例發(fā)生的信號出現(xiàn)的精確時刻，或者說將一個物理事例的模擬信號轉(zhuǎn)換為一個具有時間信息的數(shù)字邏輯信號常見形式前沿定時采用高速比較器，將輸入信號與一個預(yù)置的閾值進行比較，以比較器輸出信號的前沿作為信號出現(xiàn)的時刻電路簡單，定時精確，但存在著“幅度-時間游動”效應(yīng)（TimeWalk）過零定時和恒比定時電路比較復(fù)雜，不利于大規(guī)模的粒子物理實驗應(yīng)用，一般多用于較小規(guī)模的核物理實驗2011-05-047中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

第7頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月雙閾甄別的前沿定時高閾（HL）和低閾（LL）甄別器對同一信號進行甄別低閾甄別器輸出信號經(jīng)過適當延遲后與高閾甄別器的輸出信號符合只有高于高閾的信號，符合電路才有輸出目的：利用高閾來剔除噪聲和干擾信號同時又保持低閾甄別的時間信息2011-05-048中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

第8頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2011-05-04中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

9PrincipalSchemeoftheNon-gatedQTCConsistsofabipolarty-to-unipolarityOPAMP,aconstantcurrentsource,anintegrator,andadiscriminatorwithadjustablethresholdSimilartothegatedintegrator&dischargerbutdiffersfromthelatterforAlwaysdischargewithconstantcurrentAbsenceofanalogousswitchingelements第9頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2011-05-04中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

10TimingDiagramofNon-gatedQTCS.B.Liu,C.Q.Feng,L.F.Kang,etc.

NIMA621(2010)513–518第10頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2011-05-0411EndcapTOFFEESimilartothebarreloneNoneedformeantimerThedifference中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

第11頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2011-05-04中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

12HPTDC在BESIIITOFMonitor應(yīng)用4路EPL.1S(PMT經(jīng)放大)輸入通道（其中兩個備份）2路EPL.0S(LVDS)輸出（Monitor模式下替代觸發(fā)L1）1路EPL.0S(LVDS)輸入（時鐘）8路EPL.00(TTL)輸出通道（實用6路，其余備份）4路EPL.00(TTL)輸入、2路雙向通道（備用）第12頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2011-05-04中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

13TOF讀出電子學(xué)在BESIII中的安裝安裝檢測探測器電纜安裝后測試及老化第13頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2011-05-04中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

14TimePrecisionofFEE“CableDelayTest”isconstructedHistogramthetimedifferenceofpulsepairswithafixeddelayTheoveralltimeresolutionis23.84ps,whichmeanstheprecisionofsinglechannelis16.86ps

Includingthecontributionofpreamplifiers,longcables,FEE,etc.第14頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月Res.ofsinglechn:17psTOF前端電子學(xué)的時間測量精度LIUShubin,FENGChangqing,YANHan,etc.

NuclearScienceandTechniques21(2010)49–53ShubinLiu,ChangqingFeng,QiAn,etc.

IEEETNS,VOL.57,NO.2(2010),

419-427ChangqingFeng,ShubinLiu,QiAn,etc.

IEEETNS,VOL.57,NO.2(2010),463-4662011-05-0415中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

第15頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2011-05-04中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

16ChargeMeasurementofFEEATEK3251actsasthesignalsourceOutputthestimulatingsignalwaveformsaccordingtothePMTpulsetemplateAmplitudeincreaseswiththestepof20mVDynamicrangecoversfrom180mVto5V(afterpreamplifier),withthemaximumrelativemethodicalerrorlessthan0.3%第16頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月TOT(TimeOverThreshold)輸出信號同時包含了時間和電荷信息脈沖前沿直接高速甄別，代表粒子到達信息經(jīng)積分成型或放大等處理后的后沿代表電荷信息優(yōu)點無須ADC等，節(jié)省功耗前端電子學(xué)輸出即為數(shù)字信號，節(jié)省昂貴的模擬電纜2011-05-0417中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

第17頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月TOT應(yīng)用（1）應(yīng)用范例：ALICE@LHCSTAR@RHICTOFupgradeofBESIII……2011-05-0418中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

第18頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2011-05-04中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

19NINOinALICETOFBlockdiagramofoneTRMmodulewith192channels第19頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2011-05-04中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

20NINOinSTARTOFThetop-leveldiagramoftheTOFelectronicsTheMRPCdigitizationboard“TDIG”第20頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2011-05-04中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

21BESIII端蓋TOF升級方案前放（NINO）位于探測器每側(cè)端蓋36個MRPC前放模塊負責(zé)一個MRPC模塊的24路輸出數(shù)字化插件（TDIG）位于后端每個TDIG負責(zé)72路NINO的前、后沿時間測量需要9片HPTDC符合產(chǎn)生擊中信息送TOFTrigger插件需要相應(yīng)后插模塊和并串轉(zhuǎn)換及電光轉(zhuǎn)換插件接口至目前的TOFTrigger插件總共需要24個TDIG插件大量NINO輸出需要經(jīng)過長電纜傳輸?shù)?1頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月BESIII端蓋TOF升級方案2011-05-04中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

22第22頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月TOT應(yīng)用（2）其他SFE16將應(yīng)用于蘭州重離子加速器改造冷儲存環(huán)外靶實驗Milagro實驗WCDA讀出電子學(xué)中的TOT2011-05-0423中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

第23頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月TOT應(yīng)用（3）QTCforSuper-K可能的應(yīng)用——LHAASO之WCDA讀出電子學(xué)？2011-05-0424中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

第24頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月LHAASOProject根據(jù)探測器陣列所探測粒子的相對到達時間重建宇宙線大氣簇射前鋒面和入射角度WCDA讀出電子學(xué)時間測量精度500ps，KM2A讀出電子學(xué)時間測量精度1ns2011-05-0425中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

第25頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2011-05-04中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

26WaterCherenkovDetectorSensitivetocosmicgammaraysMaintainingtheall-sky,high-duty-factorcapabilitiesofanEASarray4pondseachwiththeareaof2.25x104m2Eachwillbefilledwithpurifiedwater900PMTswillbedeployedunderthewaterofeachpondForatotalof3600PMTsandcorrespondingreadoutelectronicsHamamatusR5912employedinDayaBayexperimentisthecandidatetype第26頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2011-05-04中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

27TheRequirementofElectronicsDigitalizingtheaccuratearrivaltimeoftheselectedshowersBoththetimingandpulseheightofeachPMTisimportant0.5nstimeresolutionforleadingedgetimemeasurementAwidedynamicrangeof1~4000PEsforpulseheightmeasurementAtriggerdecisionmustbemadetoselectshowersClockandcalibrationsystemsareessentialDistributingthelargenumberofsignalsoverthelongdistance(~100m)isanissuePre-AmplifierorFront-endprocesscircuitisneeded第27頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月SketchofElectronics2011-05-04中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

28第28頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2011-05-04中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

29ThreeCandidateSchemesTraditionalschemeSimilarlywithDayaBayExperiment’selectronics,withtheadditionalPre-amplifierThematureschemeMuchpowerconsumptionandexpensebecauseoftheADCsTOTschemeAdoptedbyMilagrito/MilagroandtheplannedHAWCexperimentTheTDCmarkseachtimethatapulsecrossesavoltagethresholdwithaedgeLowerpowerconsumptionandexpensefortheabsenceofADCsWaveformSamplingandDigitizerschemeASICsofDRS4,LABRADOR(TARGET2)areoptions第29頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2011-05-04中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

30TOTSchemeThecablefromPMTcomesoutofthepondandgoesintotheFrontEndBoards(FEB)ThesignalfromeachPMTissplitandsenttohighgainandlowgainchargeamplifiers,followedbyapairofdiscriminatorswithdifferentPEthresholdsTheleadingedgegivesthepulse’sarrivaltimeinformation,andthetimewhichtheamplifiedPMTsignalspendsoverthelow/highthresholdrepresentsthechargeofthesignalTheFEBaccommodateseveralneighboringPMTs’processcircuitsThedigitalsignalscarrytheinformationofthepulsestothedigitalboardviaalongribboncable第30頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2011-05-04中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

31ConceptofTOTThepulseheightofasignalfromPMTisproportionaltothestoredchargecausedbyphotoelectronsAPMTpulsedeliversachargewhichchargesacapacitorThecapacitorthendischargesasthatinasimpleRCcircuitTheleadingedgegivesthetimeinformationandthelengthofthepulsegivesthelogarithmofthecharge第31頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2011-05-04中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

32TheConceptualSimulationforTOT第32頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2011-05-04中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

33TheConceptualSimulationforTOTThetimeoverthresholdisproportionaltothelogarithmofthePEnumberSmallsignalwithlittleamountPEsresultsintherelativelylargeerrorAmplificationandlowthresholddiscriminatorforsmallsignalareessentialWhileamplificationforlargesignalwillleadtosaturation第33頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2011-05-04中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

34TwoSeparateThresholdsDiscriminatorConceptAsmallpulsefromthePMTcanpassonlythelowthreshold,andthusitonlyproducestwocrossingedgetimesAlargesignalcanfireboththelowthresholdandthehighthresholdtogenerate4edgecountsintheTDCThedelaysinthecircuitensureafixedtimeinterval(~25ns)betweenthelowandhighthresholdoutputs第34頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2011-05-04中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實驗室劉樹彬

35TheAdvantagesofDualThresholdTOTAchievethewidedynamicrangeofchargemeasurementThesignalswhicharelargeenoughintendtosaturatethehighgainamplifierAlleviatetheinfluenceofPre-pulsingAlargePMTpulsewithsufficientlylargeamountPEsincreasestheincidenceofpre-pulsingwhichaffectsthelowTOTvalueaswellasthelowstarttimeHigh-startslewingisnotinfluencedbypre-pulsing,sousingthehigh-startslewingwheneveritispossibleisalwaysthefirstchoiceDifferentiatebetweenoverlappingpulsesandareallargepulseAlongpulsewillneverbemistakenforalargesignalifthehighthresholddoesnotfire第35頁，課件共37