CBM-TOF超級(jí)模塊高密度、高精度時(shí)間測量方法.pdf

1、粒子飛行時(shí)間測量是當(dāng)代高能物理實(shí)驗(yàn)中不可或缺的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容之一，它能夠間接反映粒子的動(dòng)量、質(zhì)量等信息，對于鑒別粒子種類從而確定其反應(yīng)類型、探究粒子物理本質(zhì)起著至關(guān)重要的作用。目前，高能物理實(shí)驗(yàn)有反應(yīng)粒子能量高、探測器通道數(shù)多、數(shù)據(jù)率大等發(fā)展特點(diǎn)，對于時(shí)間測量的精度以及數(shù)據(jù)讀出能力提出了越來越高的要求。
　　高壓縮重子物質(zhì)(CBM)實(shí)驗(yàn)是位于德國達(dá)姆施塔特FAIR加速器上的重離子固定靶實(shí)驗(yàn)，其目的是利用高能核子對撞的方式來探索在超高重子

2、密度環(huán)境下的QCD相圖及潛在理論。飛行時(shí)間譜儀(TOF)系統(tǒng)是CBM實(shí)驗(yàn)裝置的組成部分之一，用于鑒別帶電強(qiáng)子的類型。CBM-TOF由基于高分辨率MRPC探測器構(gòu)成的超級(jí)模塊組成，總通道數(shù)超過10萬，根據(jù)反應(yīng)率高低可大致分為內(nèi)、外墻區(qū)域，其單通道事例率最高分別為500kHz和300kHz。為滿足粒子分辨要求，TOF系統(tǒng)整體分辨精度為80ps，單通道時(shí)間測量分辨精度需好于25ps。
　　目前，CBM-TOF實(shí)驗(yàn)的MRPC探測器仍處于研

3、制階段。為滿足該實(shí)驗(yàn)外墻區(qū)域超級(jí)模塊探測器的質(zhì)量評估需求，本文利用FPGA技術(shù)開展高精度、高密度的時(shí)間測量方法研究。為實(shí)現(xiàn)高密度和高數(shù)據(jù)率環(huán)境下的數(shù)據(jù)讀出能力，本文研究設(shè)計(jì)了基于“三明治”結(jié)構(gòu)的TDC采集站模式，最多可兼容320通道的數(shù)據(jù)讀出，并采用自定義協(xié)議發(fā)送至后端讀出機(jī)箱。
　　本論文的內(nèi)容安排為:
　　第一章介紹CBM-TOF實(shí)驗(yàn)背景，以及目前兩種主流的時(shí)間數(shù)字化技術(shù)—ASIC TDC和FPGA TDC;第二章介紹基

4、于“三明治”結(jié)構(gòu)的高密度時(shí)間數(shù)字化及數(shù)據(jù)讀出方案，該方案作為一種多層次數(shù)據(jù)讀出架構(gòu)的分布式讀出節(jié)點(diǎn)，能很好地滿足當(dāng)代高能物理實(shí)驗(yàn)高精度、高密度的時(shí)間測量及其數(shù)據(jù)讀出需求;第三章具體介紹基于FPGA的時(shí)間數(shù)字化電路硬件設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)，包括32通道的前沿定時(shí)、TOT測量、觸發(fā)匹配、高速數(shù)據(jù)收發(fā)等功能;第四章具體介紹基于“三明治”結(jié)構(gòu)的320通道前端讀出電子學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，包括高精度時(shí)鐘分配、觸發(fā)信號(hào)分配、高速數(shù)據(jù)傳輸鏈路和自定義協(xié)議設(shè)計(jì);第五