HIRFL-CSR外靶實驗的數(shù)據(jù)傳輸和觸發(fā)判選研究.pdf

1、隨著大型重離子加速器的興建和粒子探測技術(shù)的迅速發(fā)展，重離子物理發(fā)展成為原子核物理的一個重要領(lǐng)域。重離子物理的發(fā)展離不開重離子加速器，目前，國內(nèi)外已經(jīng)完成建造或正在建造各種重離子加速器科學(xué)裝置。為使我國重離子物理研究在國際上占有一席之地，我國自行設(shè)計并建設(shè)了蘭州重離子加速器(HIRFL, Heavy Ion Research Facility at Lanzhou)。
　　蘭州重離子加速器系統(tǒng)及其冷卻儲存環(huán)(HIRFL-CSR)外靶

2、實驗探測裝置包括:起始時間探測器，靶區(qū)γ探測器，大接收度二極磁鐵，若干個多絲漂移室（MWDC，Multi Wire Drift Chamber），3個飛行時間(TOF，Time Of Flight)墻探測器和大型中子墻探測器。各種探測器分布在實驗大廳不同位置，其測量目標不同、輸出信號具有不同的特性，各前端電子學(xué)測量模塊采用不同的設(shè)計方案，整個電子學(xué)系統(tǒng)具有分布式的特點。
　　CSR外靶實驗中，各探測器探測到的信息中，除了有用的次級

3、粒子外，還包括很多無用粒子，并且探測器及其電子學(xué)中存在噪聲。為了剔除這些無效信息和本底噪聲，將研究一個專門的觸發(fā)判選系統(tǒng)，根據(jù)有效事例次級粒子間的時間和邏輯關(guān)系，產(chǎn)生總觸發(fā)信號反饋至前端電子學(xué)測量模塊中，用于感興趣事例數(shù)據(jù)的讀出。為了對實驗反應(yīng)進行分析，需要一個數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)將各個測量模塊的讀出數(shù)據(jù)匯總到一起，組裝成完整的事例。
　　本論文研究過程中，對國際上一些大型物理實驗的觸發(fā)判選系統(tǒng)和數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)進行了調(diào)研，再結(jié)合CSR外靶實

4、驗本身的特點——探測器種類多、分布在實驗大廳的各個地方、電子學(xué)通道數(shù)目龐大等，研究了適合本實驗的數(shù)據(jù)傳輸和觸發(fā)判選系統(tǒng)。
　　CSR外靶實驗中，數(shù)據(jù)傳輸采用多節(jié)點的事例重組。前端電子學(xué)測量模塊基于PXI6U標準設(shè)計，測量數(shù)據(jù)在測量模塊內(nèi)部經(jīng)過緩存和處理，進行初級事例組裝;使用基于數(shù)據(jù)重傳、定時啟動的突發(fā)傳輸，將數(shù)據(jù)匯總至PXI機箱控制器中，完成事例次級組裝;然后通過以太網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)DAQ刀片處理器中進行最終數(shù)據(jù)組裝

5、。整個過程中，保證傳輸?shù)姆€(wěn)定性、數(shù)據(jù)的正確性和完整性，最終得到有效的完整事例。
　　觸發(fā)判選系統(tǒng)采用層次化的觸發(fā)判選機制，在前端電子學(xué)測量模塊中完成有效擊中信息的提取，送至PXI機箱中星形觸發(fā)槽的子觸發(fā)判選模塊，對有效擊中信息進行判選，產(chǎn)生子觸發(fā)信息;然后將所有子觸發(fā)信息匯總到總觸發(fā)模塊，由總觸發(fā)模塊完成最終的觸發(fā)判選，產(chǎn)生總觸發(fā)信號反饋至子觸發(fā)模塊，再通過星形觸發(fā)線扇出至測量模塊中，用于有效數(shù)據(jù)讀出。為了實現(xiàn)遠距離，總觸發(fā)模塊與

6、子觸發(fā)模塊間采用光纖傳輸觸發(fā)信息，同時隔離了各機箱間的電氣連接。采用FPGA來完成核心觸發(fā)判選算法，實現(xiàn)觸發(fā)系統(tǒng)的可重構(gòu)性，提高系統(tǒng)的靈活性。目前僅根據(jù)當(dāng)前實驗需要實現(xiàn)了相應(yīng)算法，以后的實驗中可能需要更多更復(fù)雜的算法，在不修改硬件的前提下更新FPGA邏輯即可實現(xiàn)，系統(tǒng)的升級得到保障。
　　基于上述方案，完成了數(shù)據(jù)傳輸和觸發(fā)判選電子學(xué)硬件設(shè)計及其算法實現(xiàn)，并進行實驗室電子學(xué)性能的測試。首先對光纖傳輸性能進行了測試，包括眼圖測試和誤碼