核电子学及其进展

1 核电子学及其进展 金革2008 2 2 核电子学 利用探测技术 电子技术和计算机技术获取核和粒子物理信息的测量方法学由于核和粒子物理信息的多样性和测量条件复杂性 要求尽可能地利用当今最先进的技术和方法来克服物理测量的固有限制 以最大限度地反映出物理现象的本质 核电子学是在核物理和粒子物理领域发展起来的电子学测量方法学 包括粒子探测技术 电子学技术 物理分析方法等 目前其应用领域远远超出核物理和粒子物理范畴 3 核电子学的处理对象 主要处理核反应产生的信号核反应固定靶实验对撞实验主要探测的粒子 e p n 4 核电子学处理对象的特点 处理对象是单次脉冲信号在时间上和幅度上是随机的测量精度要求高 时间分辨 ns ps幅度分辨 mv v空间分辨 m信息量大 在一些大型粒子物理实验中 常常有上百万 甚至千万个探测通道 事例率高 ATLAS探测器每25ns产生一次事例测量时间长 连续运行数月测量条件恶劣 强辐射 强磁场 强电场 5 核电子学的基本技术 随机信息处理技术单次随机脉冲幅度分析 信号提取 滤波成形 放大 AD等噪声处理技术 信号和噪声在幅度上相当时间分析 定时 符合 时间测量 时间放大计数测量技术 信号的fmax 电子设备的fmax粒子分辨技术 在时间上 脉冲形状上 粒子飞行轨迹上 幅度上 探测器的组合上触发判选技术 从大量的本底事例中选出有用事例 6 核电子学基本技术 快电子学技术核衰变的寿命在ns ps量级 要求电子学的响应和测量能力能满足需求实时处理技术在实验过程中 为了实时了解和控制实验过程和结果发展起来的一门技术 它包括 在线处理 显示 保存和控制总线和标准化总线技术虽不是核电子学专用的 但是它被最早应用于核电子学领域 NIM CAMAC FASTBUS VME VXI GPIB 7 核电子学基本技术 成像技术径迹重建 寻找粒子飞行轨迹图像重建 CT PET网络技术网络最初主要用于军事目的 但最早用于民用是在高能物理中 最早实现联网的是世界上几个著名的加速器 CERN FERMILAB BROCKHEAVEN KEK DESY离线技术模拟技术 分析技术 8 核电子学数据获取系统结构 信息提取 数字化 判选 数据获取 9 信息提取 信息提取电路是从探测单元中提取出能量 时间 位置等信息 以电脉冲信号输出 信息提取电路包括有 前置放大器主放大器 成形滤波放大 定时滤波放大 定时甄别器脉冲形状甄别器等 10 信息提取 前置放大器电流灵敏放大器 用于定时 高计数率信号予放大电荷灵敏放大器 用于能谱测量予放大寄生电容前置放大器 用于低分辨能谱测量予放大主放大器成形滤波放大器 用于能谱测量信号放大宽带放大器 用于高计数率测量中信号放大定时滤波放大器 用于时间测量中定时用的信号放大 11 信息提取 成形滤波放大器主要是提高能量分辨 影响能量分辨的因素有 噪声计数率效应堆积和基线漂移弹道亏损效应几种采用不同成形处理的成形滤波放大器 延迟线成形DL或 DL 2CR RC成形 带极零相消 半高斯成形 微分 有源积分 基线恢复反堆积 12 信息提取 时间甄别提取脉冲到达的时间信息 用于时间测量与高计数率下计数定时误差来源 影响时间分辨的因素 TimeJitter 晃动 噪声引起TimeWalk 游动 幅度变化引起Drift 漂移 电平慢变化引起 13 信息提取 定时甄别器定时甄别器类型 前沿定时甄别器 LED 恒比定时甄别器 CFD 过零定时甄别器 CZD 幅度上升时间补偿定时甄别器 ARCD 脉冲形状甄别器提取脉冲形状信息 甄别粒子类型 14 数字化 数字化电路是将信息提取电路中提取的模拟信号进行数字化 数字化电路类型有 积分和微分幅度甄别器 单道分析器 进行一位模数变换模数变换电路 ADC 进行一位以上模数变换时间 数字变换器位置编码电路 15 模数变换电路 ADC 常用的几种ADC 线性放电型ADC逐次比较型ADC多甄别器型ADC FADC ADC的主要性能指标是微分非线性 DNL 和变换时间 线性放电型ADC微分非线性最佳 多甄别器型ADC最差 线性放电型ADC变换时间最长 多甄别器型ADC最短 微分非线性改善方法 道宽平滑器 16 时间 数字变换器 将二个信号之间的时间间隔数字化 按变换方法不同有以下几种类型 直接计数型TDC游标尺型TDCTAC ADC 17 位置编码电路 将不同物理位置编成数码输出 如对多丝正比室的每一根信号丝进行位置编码进行保存 18 记录统计 计数率仪定标器 计数器 和多路定标器多道分析器 多道幅度分析器专用多道分析器ADC 接口 计算机多道时间分析器 19 事例选择 幅度选择 甄别器时间条件选择 符合技术快符合与快慢符合物理条件符合符合电路的性能由分辨曲线及分辨时间来描述 20 数据获取DAQ 由于核物理和高能物理实验的规模一般非常大 因此实验数据的采集和控制需要高速处理 高速通讯 1000MHz网 100GHz数据传输核聚变实验 信号时间宽度1ns 上升时间几十ps粒子寿命测量 ps量级高压放电波形记录加速器物理实验 北京谱仪 40ns LHC 25ns 21 高能物理实验的DAQ 电子学 将探测器输出的信号放大 成形等处理后数字化 将信息暂存并作数据预处理 触发判选 选择满足物理条件的好事例 压缩本底事例 数据获取和在线分析 读出通过触发判选的好事例数据 以数字形式记录下来 给出反映探测器性能的各种统计图形以及所获事例的分类统计图形 监测探测器与电子学工作状态 离线数据分析 将在线机上记录下来的数据在离线机上进行分析和处理 把数据还原为粒子种类 能量 动量等物理量 22 高能物理中的探测器 半导体探测器气体探测器塑料闪烁探测器晶体闪烁探测器液体闪烁探测器切伦科夫探测器 顶点室径迹室粒子鉴别电磁量能器强子量能器Muon室中微子探测器 23 多丝电磁强子 子室径迹室量能器量能器 24 60 70年代的DAQ 使用NIM标准插件作为前端电子学读出逻辑信号采用CAMAC标准仪器处理由一个小型计算机从CAMAC总线中读出数据数据不能并行处理数据处理能力为Kbyte s 25 NIM 在核仪器领域中NIM标准是一个公认的标准 该标准1964年提出 1974年正式作为标准 TID20893 电源 6V 12V 24VNIM逻辑信号定义 正逻辑 OUTPUTINPUTLOGIC1 4 12V 3 12VLOGIC0 1 2V 1 5 2V负逻辑 OUTPUTINPUTLOGIC1 14 18mA 12 36mALOGIC0 1 1mA 4 20mA提供50欧姆阻抗负载上 这些标准与TTL ECL逻辑定义有一定的差别 因此注意电平转换 26 NIM 27 CAMAC 该标准1969年提出 1975年正式作为标准 电源 6V 24V 117ACV 12V作为非标准电源信号 24R 24W 24N 24LA8 A4 A2 A1F16 F8 F4 F2 F1B S1 S2 X Q I C Z电平 TTL数据传输率为3MByte 28 CAMAC 29 80 90年代的DAQ 由于探测器的分辨能力增加 使得系统的通道数目急剧增加 由于稀有事例的研究 使得对事件率的需求急剧增加由此引起DAQ系统的数据带宽需求达到MByte s 要求系统对非感兴趣的事例进行过滤 使保存到永久存储介质上的数据带宽在100KByte s左右 由于探测器规模和复杂程度急剧增大 要求DAQ系统分布在各个子探测器中 各部分协调一致工作 完成整个探测器的DAQ任务 多处理器并行处理 30 80 90年代的DAQ系统 采用分层的树状结构 在每个节点为一个计算节点 采用分布式计算技术 有利于VME和Fastbus等多主设备系统容易构成DAQ局部系统数据率可达到Mbytes s 31 FastBus 该标准1986年提出 1989年正式作为标准 电源 5V 200 300A 5 2V 60A 2V 100A 15V为可选项 32 33 34 VME 该标准1984年提出 1989年正式作为标准 电源 5V 12V该标准数据和地址宽度 16 24 32 64位 数据传输率可达80MB 35 VME 36 为了能使VME板容纳更多的电子学功能 VME板的尺寸扩展到9U ASIC的使用使得电路板的电子学逻辑密度更高但以背板总线作为数据通道成为了瓶颈 21世纪DAQ的发展趋势 37 机箱背板总线逐步由组件间点对点的高速互连替代 机箱间的互连逐步被高速交换机替代计算平台被可运行LINUX的PCfarms替代网络技术替代 如Ethernet Grid数据在本地处理 21世纪DAQ的发展趋势 38 21世纪DAQ的发展趋势 39 在线和离线的界限 探测器的越来越稳定 如在线诊断和错误恢复的任务变得不是很重 在线计算的能力随着计算机的发展不断的增强 在线的任务不再只是 数据选择 更复杂的数据分析被放到在线处理 许多离线处理的资源可用于直接在线 在线分析的结果直接反映出实验的质量 40 ATLAS探测器 ATLAS探测器由4部分组成 内部探测器 黄色 用于测量粒子的动量 量能器 橙和绿 测量粒子携带的能量 子谱仪 兰色 鉴别和测量 子 磁铁 灰色 将使带电粒子的轨迹发生弯曲 用于动量测量 41 ATLAST DAQ系统结构 42 安装中的BESIII探测器 43 44 正在建造中的BESIII探测器 Bebeampipe SCmagnet 1T Magnetyoke MDC 120mm CsI Tl calorimeter 2 5 1GeV TOF 90ps RPC 45 BESIIIDAQ设计指标 最终完成的任务和验收要求 能在事例率4000Hz 事例平均长度小于12KB的条件下连续稳定获取数据24小时以上 死时间小于5 46 BESIIIDAQ采用的技术 并行计算技术网络交换技术多处理器 分布处理并行数据