HIRFL CSR外靶實驗T0探測器讀出中的TDC技術研究.pdf

1、重離子物理是原子核物理研究的重要領域，重離子加速器是進行重離子物理研究的最重要實驗裝置之一。蘭州重離子加速器(Heavy Ion Research Facility inLanzhou，HIRFL)是我國規(guī)模最大的重離子實驗裝置，建成以來，取得了如新核素合成，原子核質(zhì)量測量，癌癥治療等重大科研成果，使我國躋身重離子物理研究的國際先進行列。
　　HIRFL冷卻儲存環(huán)(Cooling Storage Ring，CSR)外靶實驗主要研究

2、方向為核物質(zhì)狀態(tài)方程研究，放射性束物理研究以及超核研究。T0探測器是CSR外靶實驗中的重要組成部分，其由一系列多氣隙電阻板室(Multi-gap Resistive PlateChamber，MRPC)組成。T0探測器位于外靶實驗裝置的最前端，放射性束流打靶后產(chǎn)生的帶電粒子通過MRPC，與MRPC內(nèi)部的工作氣體發(fā)生相互作用，從而產(chǎn)生探測器信號，通過對MRPC探測器信號進行高精度時間測量，可得到放射性束流打把的時間信息，從而為其他的子探測

3、器系統(tǒng)提供精確的時間起點。
　　本論文針對CSR外靶實驗T0探測器的性能指標與應用需求，進行了時間數(shù)字變換技術的研究，并具體實現(xiàn)了時間數(shù)字變換模塊的設計，本論文的內(nèi)容安排如下:
　　第一章主要介紹了HIRFL CSR外靶實驗背景，以及T0探測器系統(tǒng)的整體結構和性能指標要求。
　　第二章首先介紹了主流的時間數(shù)字變換技術(Time-to-Digital Conversion)，包括模擬型TDC與數(shù)字型TDC兩大類。并著重介

4、紹了基于現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programable Gate Array，F(xiàn)PGA）的時間數(shù)字變換器(TDC)設計技術。在T0探測器讀出電子學中，為簡化系統(tǒng)復雜度，提高應用靈活性，最終選用FPGATDC作為設計方案。
　　第三章首先介紹了T0探測器時間數(shù)字變換模塊的整體結構，再對其中的關鍵電路進行了詳細的說明，主要包括單通道雙沿時間測量方法，以及基于內(nèi)容尋址存儲器(Content Addressable Memory，C

5、AM)的觸發(fā)匹配(Trigger Match)技術。在單個FPGA中成功集成24個時間測量通道及對應的Trigger Match功能模塊。
　　第四章介紹了設計完成的時間數(shù)字變換模塊的測試結果，主要包括非線性測試，時間測量精度測試以及觸發(fā)匹配功能測試，測試結果表明在單片F(xiàn)PGA內(nèi)成功集成24路TDC通道，并且時間測量精度達到25 ps RMS，此外，Trigger Match工作正常，設計完成的TDC模塊滿足應用需求。