高能物理實(shí)驗(yàn)中的高精度時(shí)間測量方法研究.pdf

1、時(shí)間是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)和存在的基本屬性之一,精密的時(shí)間作為科學(xué)研究、科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工程技術(shù)諸方面的基本物理參量,為一切動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)和時(shí)序過程的測量和定量研究提供了必不可少的時(shí)基坐標(biāo).對日常生活來說,對時(shí)間的概念一般精確到分鐘就足夠了,即使在衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用方面,測量到納秒也完全滿足需要.然而在很多大型物理實(shí)驗(yàn)中,時(shí)間間隔測量作為一種重要的鑒別和探測手段,對測量的精度要求非常嚴(yán)格(到ps量級),如何提高時(shí)間測量的精度成為物理學(xué)家孜孜以求的目標(biāo).隨著科學(xué)技術(shù)

2、的進(jìn)展,許多精確測量時(shí)間的方法被陸續(xù)提出,比如電流積分技術(shù)、計(jì)數(shù)器技術(shù)、模擬放大技術(shù)、內(nèi)插技術(shù)等等,其中內(nèi)插技術(shù)是獲得ps量級測量精度的主要手段.該論文對新近發(fā)展起來并已經(jīng)較為成熟的DLL+RC延遲的兩級時(shí)間內(nèi)插方案進(jìn)行了一系列研究,以CERN微電子組研制的HPTDC芯片作為這種內(nèi)插方案的代表,我們分析了該方案所能達(dá)到的設(shè)計(jì)指標(biāo),然后根據(jù)實(shí)際測得的參數(shù)提出了兩種提高精度的措施.為了驗(yàn)證我們的研究的正確性,參考北京譜儀三期重大改造工程BE

3、S Ⅲ中飛行時(shí)間電子學(xué)(TOF)測量的精度需求,我們設(shè)計(jì)了驗(yàn)證電路并進(jìn)行了一系列的測試.第一章從兩個(gè)大型物理實(shí)驗(yàn)中高精度時(shí)間測量應(yīng)用場合的例子出發(fā),介紹了在時(shí)間測量方法發(fā)展過程中比較重要的技術(shù),討論的重點(diǎn)放在時(shí)間分辨和動(dòng)態(tài)范圍兩個(gè)方面,功耗也是一個(gè)值得注意的因素.第二章描述了時(shí)間-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路(TDC)中常用的技術(shù)指標(biāo),比如INL和DNL,這些指標(biāo)刻畫了TDC的性能,是限制TDC精度的主要因素.同時(shí),這一章簡要分析了TDC電路中動(dòng)態(tài)誤差

4、的各種來源.第三章分析了高能物理實(shí)驗(yàn)對TDC性能的特殊需求,并介紹了幾個(gè)應(yīng)用于高能物理實(shí)驗(yàn)的TDC的研究成果.第四章介紹基于DLL+RC延遲的兩級時(shí)間內(nèi)插方案的典型代表-HPTDC芯片.該章首先計(jì)算了采用DLL+RC內(nèi)插所能取得的理論精度,然后介紹了該芯片的結(jié)構(gòu)、各部分功能和使用方法.第五章根據(jù)TDC電路固有的INL誤差提出了兩種提高精度的方法,一種是INL修正,一種是同步時(shí)間放大.該章詳細(xì)敘述了兩種方案的實(shí)現(xiàn)途徑.第六章首先介紹BES

5、 Ⅲ中主漂移室(MDC)和TOF兩個(gè)時(shí)間測量場合所需要的測量精度,然后根據(jù)TOF的測量需求分析TOF的測量過程,提出驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)的參考技術(shù)指標(biāo),并結(jié)合TOF的具體應(yīng)用詳細(xì)介紹了包括峰值檢測器在內(nèi)的一系列軟硬件的設(shè)計(jì).第七章講述了驗(yàn)證電路的測試方案、測試過程以及測試結(jié)果,并對測試結(jié)果進(jìn)行定性或定量的分析.從結(jié)果來看,驗(yàn)證電路能達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)指標(biāo),說明我們圍繞DLL+RC內(nèi)插的時(shí)間測量方案的一系列研究是成功的.第八章介紹了時(shí)間測量方法的一些