基于SCA技术的高时间分辨MRPC读出电子学研究

论文摘要

粒子鉴别是粒子物理实验中一个重要的内容,而飞行时间（Time of Flight,TOF）探测是一种有效的粒子鉴别手段。多气隙电阻板室（Multi-gap Resistive Plate Chamber,MRPC）广泛应用于许多大型物理实验中的飞行时间测量,是一种高时间精度的气体探测器。随着粒子物理实验的发展,TOF探测器系统的时间分辨需要达到更高的层次,相应地对读出电子学的测量精度也带来了更高的要求和挑战。传统的MRPC读出电子学一般采用高速放大甄别结合时间-数字变换（Time-to-Digital Conversion,TDC）的技术路线获取时间信息。此技术路线是目前国际粒子物理实验中高精度时间测量的主流,可以达到20 ps量级的高时间测量精度并成功应用于多个大型物理实验中。然而,随着下一代新型探测器性能的提升,还需要展开研究,发展更高水平的电子学技术。本论文针对下一代高时间分辨MRPC探测器的读出需求,开展了更高时间精度的读出电子学研究,将开关电容阵列（Switched Capacitor Array,SCA）波形数字化技术应用于MRPC探测器的读出中,并针对MRPC信号处理的特点,进行了方案研究,并实际完成了一套原理验证读出电子学的设计。考虑到高速采样SCA芯片内单通道中存储电容数目的限制,其难以完成长时间间隔的测量,为了解决这个问题,本论文基于双计数器实现粗时间测量,配合SCA的细时间测量,同时实现大动态范围和高测量精度。本论文结构组织如下:第一章介绍了 MRPC探测器系统在粒子物理实验飞行时间测量中的应用与发展,指出了时间分辨越来越高的发展趋势。然后分别介绍了基于放大甄别结合时间数字变换的时间测量技术路线和基于SCA波形数字化的时间测量技术路线。最后概述了本论文的研究内容。第二章根据MRPC高精度时间测量的需求,对粒子物理实验中常用的时间测量技术进行了详细调研,包括定时甄别结合TDC技术路线和SCA波形数字化技术路线,并对用于高精度时间测量的典型SCAASIC进行了介绍。这些调研对本论文高时间精度读出电子学的设计提供了重要参考。第三章叙述了 MRPC探测器高时间精度读出电子学的设计方案。首先,通过对MRPC探测器输出信号特征的分析,确立了前端放大结合SCA波形数字化的技术路线。之后,针对高精度时间测量的需求,确定了前端放大模块和高速波形数字化模块的设计指标,并据此提出了读出电子学的设计方案。最后,对SCA不一致性的多种修正方法进行了介绍和分析,选择了合适的修正算法,并提出了此修正方法对应的板载标定信号产生电路的设计方案。第四章在第三章的基础上,介绍了验证电子学的具体硬件实现,确定了各硬件单元具体的电路结构,完成了器件的选型,并根据仿真和计算优化了各部分的参数。第五章介绍了波形数字化模块中算法逻辑的设计,包括幅度修正、时间修正、FIR低通滤波、时间信息提取等实时信号处理部分逻辑和传输接口部分逻辑。第六章介绍了验证电子学的实验室测试结果,结果表明此原理验证读出电子学的时间测量精度优于10 ps,达到研究目标。第七章对本论文工作进行了总结,并给出下一步工作的展望。

论文目录

摘要

ABSTRACT

第一章引言

1.1 粒子物理实验中的飞行时间测量

1.1.1 粒子物理实验简介

1.1.2 粒子物理实验中的飞行时间测量技术

1.1.3 MRPC探测器在飞行时间测量中的应用及发展

1.2 高时间分辨MRPC探测器读出电子学的技术及挑战

1.3 本论文研究内容

参考文献

第二章高精度时间测量关键技术调研

2.1 定时甄别技术

2.1.1 前沿定时甄别

2.1.1.1 前沿定时甄别方法的误差产生

2.1.1.2 前沿定时甄别方法的误差修正

2.1.2 过零定时甄别

2.1.3 恒比定时甄别

2.1.4 其他定时甄别

2.1.5 典型定时甄别技术的比较

2.2 时间数字变换技术

2.2.1 间接数字化型TDC

2.2.2 直接数字化型TDC

2.2.2.1 计数器型TDC

2.2.2.2 时钟分相型TDC

2.2.2.3 延迟线型TDC

2.2.2.4 其他TDC

2.2.3 典型TDC技术的比较

2.3 波形数字化技术

2.3.1 数字化脉冲波形处理方法调研

2.3.1.1 插值拟合甄别方法提取时间信息

2.3.1.2 滑动窗口方法提取时间信息

2.3.1.3 互相关方法提取时间信息

2.3.1.4 神经网络方法提取时间信息

2.3.1.5 典型数字化波形时间信息提取方法的比较

2.3.2 基于SCA波形数字化进行高精度时间测量的分析

2.3.3 典型的SCA芯片介绍

2.3.3.1 PSEC4芯片

2.3.3.2 SAMPIC芯片

2.3.3.3 DRS4芯片

2.3.3.4 典型SCA芯片的比较

2.4 本章小结

参考文献

第三章 MRPC高时间精度读出电子学方案研究

3.1 MRPC信号的基本特征

3.2 两种高精度时间测量的技术路线

3.2.1 前端放大甄别+高精度TDC方法

3.2.2 前端放大+高速波形数字化方法

3.2.3 本论文高精度时间测量方法的考虑

3.3 基于SCA技术的读出电子学的设计需求及难点

3.3.1 前端放大模块的设计需求及难点

3.3.2 高速波形数字化模块的设计需求及难点

3.3.3 基于波形数字化技术的读出电子学仿真验证

3.3.4 SCA芯片的选择和详细介绍

3.3.4.1 DRS4的工作原理

3.3.4.2 DRS4的级联模式

3.3.4.3 DRS4的读出模式

3.4 基于SCA技术的读出电子学方案设计

3.4.1 前端放大模块方案设计

3.4.2 高速波形数字化模块方案设计

3.4.3 FIR低通滤波器方案设计

3.5 SCA不一致性的修正方案

3.5.1 采样单元幅度误差的修正

3.5.2 采样间隔不一致性的修正

3.5.2.1 局部标定法

3.5.2.2 全局标定法

3.6 本章小结

参考文献

第四章读出电子学硬件电路设计与实现

4.1 前端放大模块的硬件实现

4.2 高速波形数字化模块的硬件实现

4.2.1 波形数字化模块的硬件结构

4.2.2 模拟数字变换电路的设计

4.2.2.1 模拟前端电路

4.2.2.2 DRS4瞬态波形采样电路

4.2.2.3 ADC模拟数字变换电路

4.2.3 Hit信号产生电路的设计

4.2.4 数字信号处理电路的设计

4.2.4.1 FPGA硬件电路

4.2.4.2 SDRAM数据缓存电路

4.2.4.3 基于PXI总线的数据传输电路

4.2.5 标定信号产生电路的设计

4.2.5.1 直流标定电路

4.2.5.2 交流标定电路

4.2.6 时钟电路的设计

4.3 本章小结

参考文献

第五章数字信号处理与传输逻辑的设计

5.1 逻辑整体框架

5.2 数字信号处理部分

5.2.1 数据接收逻辑

5.2.2 数据处理逻辑

5.2.2.1 幅度修正

5.2.2.2 FIR低通滤波

5.2.2.3 时间修正

5.2.3 时间提取逻辑

5.2.3.1 细时间提取

5.2.3.2 粗时间测量

5.2.3.3 数据组装

5.2.4 Hit判断逻辑

5.3 传输接口部分

5.3.1 数据选择及打包逻辑

5.3.1.1 时间测量结果汇总

5.3.1.2 波形数据选择及打包

5.3.2 SDRAM控制逻辑

5.3.3 PXI数据传输接口逻辑

5.4 逻辑资源占用情况

5.5 本章小结

参考文献

第六章读出电子学测试

6.1 测试平台构建

6.2 前端放大模块的测试

6.2.1 前端放大原理验证模块的测试

6.2.2 模拟带宽测试

6.2.3 时间精度测试

6.2.4 不同增益情况下测试

6.3 波形数字化模块的测试

6.3.1 噪声测试

6.3.2 瞬态波形采样测试

6.3.3 幅频响应测试

6.3.4 FIR滤波器截止频率选择

6.3.5 不同采样间隔不一致性标定方法的比较

6.3.6 时间信息提取算法的考虑

6.3.7 不同时间间隔情况下的时间精度测试

6.3.8 不同输入信号幅度情况下的时间精度测试

6.4 读出电子学联合测试

6.5 本章小结

参考文献

第七章总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

附录

附录A 前端放大原理验证模块照片

附录B 前端放大模块照片

附录C 高速波形数字化模块照片

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 刘金鑫

导师: 安琪,赵雷

关键词: 飞行时间测量,高精度时间测量,波形数字化,开关电容阵列

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 中国科学技术大学

基金: 国家自然科学基金重点项目(No.11735009),中国科学院前沿科学重点研究项目(优秀青年人才类,No.QYZDB-SSW-SLH002),安徽省杰出青年科学基金项目(No.1708085J07)

分类号: O572.2

总页数: 142

文件大小: 11922K

下载量: 102

基于SCA技术的高时间分辨MRPC读出电子学研究

论文摘要

论文目录

文章来源

相关论文文献

猜你喜欢