1、DEPT OF MODERN PHYSICS,USTC高能物理实验中触发和数据获取系统高能物理实验中触发和数据获取系统 DEPT OF MODERN PHYSICS,USTC第第3 3节节 前端电子学系统前端电子学系统1.前端电子学在数据获取系统中的作用和组成前端电子学在数据获取系统中的作用和组成作用：作用：从探测单元提取信号，进行放大、成形等模拟处理，经过数字化，为数据获取主系统提供事例信息，同时为触发判选系统提供数据。位于数据源(即探测器)输出端 DEPT OF MODERN PHYSICS,USTC3.1 3.1 前端电子学系统前端电子学系统作用和组成作用和组成1.前端电子学在数据获取系
2、统中的作用和组成前端电子学在数据获取系统中的作用和组成组成：组成：信号处理单元包括前置放大，成形放大和甄别器等在高计数率情况下,不仅仅有信噪比方面要求，还有速度上要求，例如基线恢复等措施DEPT OF MODERN PHYSICS,USTC3.1 3.1 前端电子学系统前端电子学系统作用和组成作用和组成 缓冲存储单元为了提高对撞机的亮度，LHC对撞机的对撞周期为25ns，这意味着在每25ns产生一次作用，每次作用都有可能是需要记录的事例，取舍与否决定于触发判选系统。特别是第一级触发系统，要在第一级触发系统中完成一次触发判选，判选时间达到2us，是对撞作用周期80倍，一次作用结果取舍必须等待80
3、次作用之后才能决定。这就是为什么要有缓冲存储单元的原因。DEPT OF MODERN PHYSICS,USTC3.1 3.1 前端电子学系统前端电子学系统作用和组成作用和组成DEPT OF MODERN PHYSICS,USTC3.1 3.1 前端电子学系统前端电子学系统作用和组成作用和组成 数字化电路包括甄别、ADC、TDC和地址编码等，将模拟量转换为数字量DEPT OF MODERN PHYSICS,USTC 数据通道零压缩和数据缓冲事例内筛选出有意义的通道，剔除无意义的通道数据，使每个事例所占有的字节数减少，来减小原始数据速率，即为数据通道零压缩。通常采用DSP来完成。第一级触发判选之后
4、事例数据继续需要被缓冲存储，等待第二级触发判选取舍的决定，同时起到解随机的作用。3.1 3.1 前端电子学系统前端电子学系统作用和组成作用和组成DEPT OF MODERN PHYSICS,USTC3.2 3.2 前端电子学系统前端电子学系统探测单元信号处理探测单元信号处理1.半导体探测单元信号处理半导体探测单元信号处理 高能物理中半导体探测器 半导体探测器早在上世纪七、八十年代已广泛应用在它具有极好的能量和空间分辨以及快的相应时间，在广泛应用。传统上是由高阻单晶硅材料制成的，目前还在研究体探测器，金刚石探测器也是有望可以开发的一种 在高能物理中，以下列形式应用：pixel detector
5、象素探测器 microstrip detector“微条”探测器 DEPT OF MODERN PHYSICS,USTC3.2 3.2 前端电子学系统前端电子学系统探测单元信号处理探测单元信号处理半导体探测器的示意图半导体探测器的示意图DEPT OF MODERN PHYSICS,USTC3.2 3.2 前端电子学系统前端电子学系统探测单元信号处理探测单元信号处理硅微条探测器工作原理硅微条探测器工作原理DEPT OF MODERN PHYSICS,USTC3.2 3.2 前端电子学系统前端电子学系统探测单元信号处理探测单元信号处理半导体探测器工作原理：电离粒子穿过探测器，沿着其径迹产生电子空穴
6、时，电子空穴对数正比于粒子在探测器内的能量损失，探测器二端加上反偏的电场，使电荷对在复合之前由电极将其收集起来，在电荷收集过程中在电极上产生电流脉冲，其积分（即电荷）正比于粒子在探测器内沉积的能量，通过电荷积分器和成形放大器将其读出，其信号的幅度正比于电荷值，即正比于能量沉积。由于产生电荷对所需的能量只有3.6ev（硅半导体探测器），比气体电离能（30ev）和闪烁计数器中从光电转换器件的光阴极上拉出电子所需的能量（300ev）要小。另一方面，在硅中平均能量损失很高，大约390ev/m，每m产生110e-h对产额很高，因而使固有能量分辨很佳，在高能物理应用中最佳厚度为300m，电离粒子通过平均可
7、以得到3.2104e-h对。DEPT OF MODERN PHYSICS,USTC3.2 3.2 前端电子学系统前端电子学系统探测单元信号处理探测单元信号处理半导体探测器除有很高能量分辨之外,另一个特点是其空间分辨很好，这是因为当代半导体工艺使探测单元可以做得很小，集成密度很高。具体有以下特性：位置精度5m 双径迹分辨在10m以下 对于微条型探测器偏压低于100v 时间响应小于5ns 安装相对比较简单对前端读出电路的要求：低噪声，高灵敏，快响应，抗辐射，高计数率，低功耗，高集成度 DEPT OF MODERN PHYSICS,USTC3.2 3.2 前端电子学系统前端电子学系统探测单元信号处理
8、探测单元信号处理 半导体探测器前端读出电路包括：前置放大器（一般为电荷灵敏放大器）成形放大器 甄别器和甄别阈设置电路 DEPT OF MODERN PHYSICS,USTC3.2 3.2 前端电子学系统前端电子学系统探测单元信号处理探测单元信号处理2.闪烁计数器中光电转换器的前端读出电子学闪烁计数器中光电转换器的前端读出电子学 闪烁计数器被广泛用于核物理和高能粒子物理实验中。它是利用某些化合物在带电粒子通过或光激发后能发射短的光脉冲特性，通过光电转换器件将其转换成电脉冲信号。电脉冲信号的电荷量一般正比于闪烁体发射的光产额，即正比于粒子沉积在闪烁体中能量，因此它可以用来测量粒子的能量。快响应闪烁
9、体与快光电转换器件相配合，可以得快的输出信号，信号的上升和下降时间可以小于1ns，因此它可以用来作为时间测量。在高能物理实验中，闪烁计数器常用作定时（飞行时间TOF计数器），快事例选择（触发计数器，或为描迹仪中提供快逻辑信号），在量能器中，闪烁计数器往往是关键部件。DEPT OF MODERN PHYSICS,USTC3.2 3.2 前端电子学系统前端电子学系统探测单元信号处理探测单元信号处理2.闪烁计数器中光电转换器的前端读出电子学闪烁计数器中光电转换器的前端读出电子学 高能物理中闪烁计数器 无机闪烁体：晶体，玻璃体 常用的无机闪烁晶体有：NaI(Tl),CsI(Tl),BaF2,BGO等
10、有机闪烁体：晶体、塑料和液体 常用的有机闪烁晶体蒽（C14H10）,萘（C10H8）等 闪烁计数器中常用的光电转换器有：光电倍增管（PMT)光电二极管（PD)DEPT OF MODERN PHYSICS,USTC3.2 3.2 前端电子学系统前端电子学系统探测单元信号处理探测单元信号处理2.闪烁计数器中光电转换器的前端读出电子学闪烁计数器中光电转换器的前端读出电子学 光电倍增管PMT读出前端电子学 PMT作为探测单元输出部分在高能物理实验中有广泛应用:可接在量能系统中闪烁晶体之后；可作为RICH（环状成像契仑科夫计数器）和飞行时间计数器TOF的输出部分。无论用在何种情况，脉冲到达时间需要精确记
11、录，大多数情况下还需要记录脉冲高度输入信号经前置放大之后分成二种不同增益的放大成形，其目的是为了得到很大动态范围，同时有较高能量分辨作为幅度测量，每次主时钟将放大器输出存储在模拟存储单元之中，事例一级判选之后选通进入ADC 前放信号经过甄别，作为TAC的时间标记信号，TAC输出存储在模拟存储单元之中，事例一级判选之后选通进入ADC 甄别器另一路输出作为一级触发判选予处理器的输入，经处理后送到一级触发判选系统DEPT OF MODERN PHYSICS,USTC3.2 3.2 前端电子学系统前端电子学系统探测单元信号处理探测单元信号处理DEPT OF MODERN PHYSICS,USTC3.2
12、 3.2 前端电子学系统前端电子学系统探测单元信号处理探测单元信号处理DEPT OF MODERN PHYSICS,USTC3.2 3.2 前端电子学系统前端电子学系统探测单元信号处理探测单元信号处理DEPT OF MODERN PHYSICS,USTC3.2 3.2 前端电子学系统前端电子学系统探测单元信号处理探测单元信号处理3.丝室读出电路丝室读出电路高能物理实验中丝室 多丝室是一种气体探测器。布有平行、等间隔一组阳极丝的平面夹在二个阴极平面之间，组成了多丝室，室内充满一定气压的电离气体。在阴极与阳极之间加以电压，当带电粒子通过多丝室时，产生电离，电子和正离子分别在电场作用下向阳极和阴极运
13、动，最后被收集。在运动过程中，在电极上感应出电流脉冲，这就是气体探测器工作基本原理。通常电流脉冲信号从阳极丝输出，只有粒子通过的阳极丝才有信号产生，因此多丝室可以用来定位，阳极丝间的间隔一般在mm量级，因此定位精度也可以达到mm量级。如果阳极与阴极之间电压加得足够高，在阳极丝周围形成很高电场，在电场作用下，电子进入高场区（在阳极丝周围极小空间），电子动能很大，因而会产生再电离，甚至雪崩式电离，使电荷量激倍增，即称为气体放大作用。在这种条件下，电极收集到的电荷量远比原始电荷量大得多。在一定电压范围内，气体放大倍数是常数，这样组成的多丝室即为多丝正比室。多丝正比室不仅可以用来定位，也可以测量带电粒
14、子在室内沉积的能量，作为dE/dx测量DEPT OF MODERN PHYSICS,USTC3.2 3.2 前端电子学系统前端电子学系统探测单元信号处理探测单元信号处理3.丝室读出电路丝室读出电路多丝室类型很多，如：多丝正比室（Multi-Wire Proportional Chamber)漂移室（Drift Chamber)时间投影室(Time Project Chamber)喷注室(Jet Chamber)时间扩展室(Time Expansion Chamber)薄间隙室(Thin Gap Chamber)等等 多丝室的主要参数为：单次和多次击中的探测效率 空间分辨和双径迹分辩 死时间 D
15、EPT OF MODERN PHYSICS,USTC3.2 3.2 前端电子学系统前端电子学系统探测单元信号处理探测单元信号处理DEPT OF MODERN PHYSICS,USTC3.2 3.2 前端电子学系统前端电子学系统探测单元信号处理探测单元信号处理DEPT OF MODERN PHYSICS,USTC3.2 3.2 前端电子学系统前端电子学系统探测单元信号处理探测单元信号处理DEPT OF MODERN PHYSICS,USTC3.2 3.2 前端电子学系统前端电子学系统探测单元信号处理探测单元信号处理3.丝室读出电路丝室读出电路 读出电路 丝室通常多作为位置探测，最简单为多丝正比室
16、，其前端信号处理由放大器甄别器（具有较低阈值）和锁存电路等组成。TGC信号提取和模拟处理的放大、成形和甄别电路的原理框图 DEPT OF MODERN PHYSICS,USTC3.3 3.3 前端电子学系统前端电子学系统ATLASATLAS前端电子学系统前端电子学系统ATLAS 子谱仪子谱仪Muon Detectors Muon.Toroidal MagnetsDEPT OF MODERN PHYSICS,USTC示意图示意图3.3 3.3 前端电子学系统前端电子学系统ATLASATLAS前端电子学系统前端电子学系统DEPT OF MODERN PHYSICS,USTC 高动量的末态子是LHC
17、上高能物理实验中最主要的物理信号之一 ATLAS探测器中有一个高分辨子谱仪，子具有很强穿透能力。通常是基于在一个强磁场系统中子径迹的偏转来测量它们的动量和能量 对撞机高能实验中探测器系统是4空间范围内进行探测，因而各种类型探测器在4立体角内布局。通常分为桶部和端盖二部分，子谱仪也是按桶部和端盖部分进行布局。子谱仪位于整个ATLAS探测器系统的最外层，它包住了其它探测器。ATLASATLAS 子谱仪简介子谱仪简介DEPT OF MODERN PHYSICS,USTC 子谱仪有二大部分一部分是产生子径迹偏转的强磁场超导磁铁系统，在ATLAS子谱仪中有三个磁铁系统，一个是用于桶部的子径迹偏转，另外二
18、个用于两个端盖部分子径迹偏转；另一部分是测量子径迹的探测器 这些探测器分为二种类型：一类是用于在磁场主偏转方向测量子径迹座标的精密子探测器，它们分别由MDT（监测漂移管）和CSC（阴极条室）来完成另一类是主要用于触发的触发型探测器，它们主要用来提供触发信息，同时提供非主偏转方位的第二个径迹座标）。按不同部位触发型探测器又分为二种，一种是位于桶部的，采用RPC（阻性板室），另一种位于端盖部位的，采用TGC（薄间隙室）ATLASATLAS 子谱仪简介子谱仪简介DEPT OF MODERN PHYSICS,USTC 子谱仪中触发用的探测器子谱仪中触发用的探测器LHC上质子束团对撞时间间隔为25ns，
19、用来标记哪一个束团对撞产生的末态子，必须要求子谱仪中探测器时间分辨优于25ns，而作为精密测量子动量的径迹的MDT和CSC，在时间分辨能力达不到这样要求，因此子谱仪中必须安装上时间分辨能力很好的探测器，专门用来确认束团（Bunch Cross Identification），这就是子谱仪中与精密测量探测器相配合的触发探测器DEPT OF MODERN PHYSICS,USTC 子谱仪中触发用的探测器子谱仪中触发用的探测器在ATLAS探测器子谱仪中在桶部采用阻抗板室（RPC），而在端盖部分采用薄间隙室（TGC）。RPC是充气平行板探测器，而TGC是工作在饱和模式下多丝正比室，它们的时间分辨均优于
20、5ns，两个区域采用两种不同探测器是出于不同的计数率，不同的本底条件、不同的空间分辨率要求和成本等诸多因素考虑。DEPT OF MODERN PHYSICS,USTC 子谱仪中触发用的探测器子谱仪中触发用的探测器触发探测器有三重目的：1)束团的确认，要求时间分辨优于束团间的时间间隔25ns2)在磁场中进行横动量PT的切割（触发甄别），要求探测器单元颗粒线度在1cm量级3)提供垂直于精密室测量方向的第二个座标测量，典型的空间分辨为510mmDEPT OF MODERN PHYSICS,USTC子谱仪端盖部分布局子谱仪端盖部分布局端盖部分用TGC作为子触发型探测器包括M1三层型TGC站和M2、M3
21、两个双层型TGC站 DEPT OF MODERN PHYSICS,USTCATLASATLAS TGCTGC前端读出电子学综述前端读出电子学综述DEPT OF MODERN PHYSICS,USTC3-D PS-PackDEPT OF MODERN PHYSICS,USTCTGC结构DEPT OF MODERN PHYSICS,USTCTGCTGC前端放大器、成形电路和甄别器前端放大器、成形电路和甄别器DEPT OF MODERN PHYSICS,USTCDEPT OF MODERN PHYSICS,USTCDEPT OF MODERN PHYSICS,USTCDEPT OF MODERN P
22、HYSICS,USTCPatch-Panel 结构DEPT OF MODERN PHYSICS,USTCTGCTGC前端读出的组织结构前端读出的组织结构DEPT OF MODERN PHYSICS,USTCTGCTGC前端读出总体连接前端读出总体连接DEPT OF MODERN PHYSICS,USTC三层型（triplet）TGC缓冲存储和解随机器DEPT OF MODERN PHYSICS,USTCATLAS电磁量能器DEPT OF MODERN PHYSICS,USTCDEPT OF MODERN PHYSICS,USTCATLAS-电磁量能器读出系统DEPT OF MODERN PHY
23、SICS,USTC一个量能器，其所要获取的信息是末态粒子沉积在探测单元中的能量。反映在电子学电路中，即为输出脉冲的幅度，在作用频率很高的实验中（如ATLAS)，触发系统滞后时间远大于作用周期时，对于模拟信号需要存储一段时间，等待触发判决结果来决定它的取舍，其前端读出模块中，必须有一个模拟存储用来暂存模拟信号，ATLAS-电磁量能器前端读出模块就是其中一个例子ATLAS-ATLAS-电磁量能器前端读出模块电磁量能器前端读出模块DEPT OF MODERN PHYSICS,USTCATLAS-电磁量能器前端读出模块DEPT OF MODERN PHYSICS,USTC前端读出模块（FEM）包括以下
24、几种模板：带精密脉冲源的校正板 前端板,完成：放大和成形模拟信号 将几个探测单元信号模拟相加为TBB板提供信息 把模拟信号存储成流水线模拟存储器中，等待一级触发系统把模拟信号存储成流水线模拟存储器中，等待一级触发系统取舍取舍将选中事例信号数字化 通过光纤传送数字信号到ROD（off-Detector）TBB板完成为触发处理器提供触发数据的予处理控制板：接收和分发主时钟，一级触发接收信号和其它同步信号接收和分发配置控制机箱内各块板的控制信息 ATLAS-ATLAS-电磁量能器前端读出模块电磁量能器前端读出模块DEPT OF MODERN PHYSICS,USTCDEPT OF MODERN PH
25、YSICS,USTCDEPT OF MODERN PHYSICS,USTCDEPT OF MODERN PHYSICS,USTCDEPT OF MODERN PHYSICS,USTCDEPT OF MODERN PHYSICS,USTCOverview-TGC Read Out System ArchitectureArchitectureSlave BoardStar SwitchRead Out DriverSlave BoardBunch IdentificationLevel 1 BufferFirst DerandomizerLocal Slave Link DriverStar SwitchLocal Slave Link ReceiverSparse Data Scan15/18 to 1 Data ConcentratorFront End Link DriverRead Out DriverFront End Link ReceiverDEPT OF MODERN PHYSICS,USTCDEPT OF MODERN PHYSICS,USTC
