ATLAS液氬量能器一期升級(jí)前端觸發(fā)電子學(xué)原型系統(tǒng)研究.pdf

1、超環(huán)面儀器實(shí)驗(yàn)裝置(ATLAS)是歐洲核子研究中心大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的七大探測(cè)器譜儀之一。它利用大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC(Large Hadron Collider)空前的高質(zhì)心對(duì)撞能量等優(yōu)越實(shí)驗(yàn)條件，著力于研究希格斯玻色子、β衰變中的CP破壞線索以及Top夸克屬性等未知的物理現(xiàn)象。ATLAS在2012年夏天探測(cè)到的希格斯玻色子(125 GeV)無(wú)疑帶給世界一個(gè)振奮人心的好消息。為了進(jìn)一步提高ATLAS研究潛力并滿足更廣泛的物理需求，ATLAS

2、合作組決定提升探測(cè)器的硬件性能，并隨之制定了“ATLAS三期逐步升級(jí)”方案。其中，“一期升級(jí)”要求ATLAS探測(cè)器在更高亮度、更嚴(yán)重的堆積噪聲環(huán)境中仍需保持100kHz觸發(fā)帶寬，這個(gè)挑戰(zhàn)使探測(cè)器的升級(jí)以及新觸發(fā)讀出系統(tǒng)的研制都迫在眉睫。本論文以介紹ATLAS液氬量能器一期升級(jí)的前端電子學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)背景為出發(fā)點(diǎn):首先提出了液氬數(shù)字化觸發(fā)系統(tǒng)的可行性研究方案;然后介紹了液氬數(shù)字化觸發(fā)系統(tǒng)中核心器件的選型以及各器件獨(dú)立測(cè)試模塊的設(shè)計(jì)及評(píng)估（電氣

3、性能和耐輻照性能）;進(jìn)而詳細(xì)說(shuō)明了1/4液氬數(shù)字化觸發(fā)原型系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)以及其測(cè)試系統(tǒng)的搭建、測(cè)試結(jié)果的分析;最后簡(jiǎn)要介紹液氬數(shù)字化觸發(fā)驗(yàn)證系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并展示最新測(cè)試結(jié)果。論文的組織按章節(jié)如下:第一章介紹了粒子物理實(shí)驗(yàn)中量能器的重要作用。首先簡(jiǎn)要介紹了量能器的主要類(lèi)型、適用領(lǐng)域及新型量能器的研發(fā)。然后概括了量能器的電子學(xué)特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)。最后詳細(xì)描述了ATLAS液氬量能器的結(jié)構(gòu)以及其電子學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。第二章闡述了ATLAS液氬量能器一期升

4、級(jí)的總體背景。首先簡(jiǎn)要介紹了LHC以及ATLAS探測(cè)器的結(jié)構(gòu)以及升級(jí)的總體規(guī)劃，然后分析了一期升級(jí)的物理需求。本章的最后部分明確了ATLAS液氬量能器一期升級(jí)的目的以及與二期升級(jí)的兼容性。第三章介紹了ATLAS液氬量能器的當(dāng)前電子學(xué)系統(tǒng)。首先展示了液氬量能器的當(dāng)前粒度分布及信號(hào)特征;然后簡(jiǎn)要介紹了當(dāng)前觸發(fā)讀出電子學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求、總體結(jié)構(gòu)以及各子模塊功能;最后討論了當(dāng)前電子學(xué)系統(tǒng)的局限性 及升級(jí)目標(biāo)。第四章探討了液氬數(shù)字化觸發(fā)系統(tǒng)LTD

5、B（Liquid Argon Trigger Digitizer Board）設(shè)計(jì)方案的可行性。首先簡(jiǎn)介了LTDB升級(jí)背景并提出LTDB的設(shè)計(jì)要求:每塊LTDB不僅需要對(duì)320通道細(xì)粒度“超級(jí)信息胞”(“Super Cell”，SC)信號(hào)進(jìn)行40MHz的數(shù)字化采樣并進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝后通過(guò)光纖傳輸?shù)胶蠖穗娮訉W(xué)系統(tǒng)，而且需要重新將“層累加模塊”輸出的累加信號(hào)進(jìn)行層與層之間的二次累加并將結(jié)果返回給“觸發(fā)塔形成模塊”，以保證當(dāng)前的觸發(fā)電子學(xué)系統(tǒng)仍可

6、以正常工作。然后從以下方面討論了LTDB的研制重點(diǎn):主要包括機(jī)械設(shè)計(jì)、散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)、供電電源設(shè)計(jì)、模擬電路和數(shù)字電路如何分離以及核心元器件的選擇和評(píng)估，同時(shí)本章還給出為L(zhǎng)TDB制定的分階研制計(jì)劃。第五章描述了1/4液氬數(shù)字化觸發(fā)原型系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)包括:1/4數(shù)字化觸發(fā)母板（處理80通道的“SC”信號(hào)）、模擬信號(hào)調(diào)理子模塊、光纖子卡系列以及模擬信號(hào)注入模塊。同時(shí)，本章還重點(diǎn)描述了以上各子模塊的原理性設(shè)計(jì)以及版圖規(guī)劃。最后本章詳細(xì)闡