第二十讲 时间测量方法

第二十讲时间测量方法第一页，共三十七页，编辑于2023年，星期五2011-05-04中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

2时间测量技术在物理实验中的使用高精度时间测量……幅度/电荷测量VTC+TDC波形采集QTC+TDCTOT……第二页，共三十七页，编辑于2023年，星期五HPTDC在粒子物理实验中的应用TOF读出电子学系统和Monitor控制/读出BESIII2011-05-043中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

第三页，共三十七页，编辑于2023年，星期五2011-05-04中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

4TOFReadoutSystemArchitecture352barrelpreamplifiers,16endcappreamplifierboardwith6channelsingroupTwoVME64xPCrates14FEEModules14FEE_RearModules1Fast_ControlModule1ClockModule1PowerPCcontrollercard1TOFMonitorModulelocatedinonly1crate第四页，共三十七页，编辑于2023年，星期五2011-05-04中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

5Barrel&EndCapPreampilifer第五页，共三十七页，编辑于2023年，星期五2011-05-046BarrelTOFFEEVME9Ucard16channels/moduleDualdisc.withleadingtimemeasurementNon-gatedQTCforchargemeasurementMeantimerprocessforfasttriggerinformation中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

第六页，共三十七页，编辑于2023年，星期五定时甄别电路作用确定代表某事例发生的信号出现的精确时刻，或者说将一个物理事例的模拟信号转换为一个具有时间信息的数字逻辑信号常见形式前沿定时采用高速比较器，将输入信号与一个预置的阈值进行比较，以比较器输出信号的前沿作为信号出现的时刻电路简单，定时精确，但存在着“幅度-时间游动”效应（TimeWalk）过零定时和恒比定时电路比较复杂，不利于大规模的粒子物理实验应用，一般多用于较小规模的核物理实验2011-05-047中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

第七页，共三十七页，编辑于2023年，星期五双阈甄别的前沿定时高阈（HL）和低阈（LL）甄别器对同一信号进行甄别低阈甄别器输出信号经过适当延迟后与高阈甄别器的输出信号符合只有高于高阈的信号，符合电路才有输出目的：利用高阈来剔除噪声和干扰信号同时又保持低阈甄别的时间信息2011-05-048中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

第八页，共三十七页，编辑于2023年，星期五2011-05-04中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

9PrincipalSchemeoftheNon-gatedQTCConsistsofabipolarty-to-unipolarityOPAMP,aconstantcurrentsource,anintegrator,andadiscriminatorwithadjustablethresholdSimilartothegatedintegrator&dischargerbutdiffersfromthelatterforAlwaysdischargewithconstantcurrentAbsenceofanalogousswitchingelements第九页，共三十七页，编辑于2023年，星期五2011-05-04中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

10TimingDiagramofNon-gatedQTCS.B.Liu,C.Q.Feng,L.F.Kang,etc.

NIMA621(2010)513–518第十页，共三十七页，编辑于2023年，星期五2011-05-0411EndcapTOFFEESimilartothebarreloneNoneedformeantimerThedifference中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

第十一页，共三十七页，编辑于2023年，星期五2011-05-04中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

12HPTDC在BESIIITOFMonitor应用4路EPL.1S(PMT经放大)输入通道（其中两个备份）2路EPL.0S(LVDS)输出（Monitor模式下替代触发L1）1路EPL.0S(LVDS)输入（时钟）8路EPL.00(TTL)输出通道（实用6路，其余备份）4路EPL.00(TTL)输入、2路双向通道（备用）第十二页，共三十七页，编辑于2023年，星期五2011-05-04中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

13TOF读出电子学在BESIII中的安装安装检测探测器电缆安装后测试及老化第十三页，共三十七页，编辑于2023年，星期五2011-05-04中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

14TimePrecisionofFEE“CableDelayTest”isconstructedHistogramthetimedifferenceofpulsepairswithafixeddelayTheoveralltimeresolutionis23.84ps,whichmeanstheprecisionofsinglechannelis16.86ps

Includingthecontributionofpreamplifiers,longcables,FEE,etc.第十四页，共三十七页，编辑于2023年，星期五Res.ofsinglechn:17psTOF前端电子学的时间测量精度LIUShubin,FENGChangqing,YANHan,etc.

NuclearScienceandTechniques21(2010)49–53ShubinLiu,ChangqingFeng,QiAn,etc.

IEEETNS,VOL.57,NO.2(2010),

419-427ChangqingFeng,ShubinLiu,QiAn,etc.

IEEETNS,VOL.57,NO.2(2010),463-4662011-05-0415中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

第十五页，共三十七页，编辑于2023年，星期五2011-05-04中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

16ChargeMeasurementofFEEATEK3251actsasthesignalsourceOutputthestimulatingsignalwaveformsaccordingtothePMTpulsetemplateAmplitudeincreaseswiththestepof20mVDynamicrangecoversfrom180mVto5V(afterpreamplifier),withthemaximumrelativemethodicalerrorlessthan0.3%第十六页，共三十七页，编辑于2023年，星期五TOT(TimeOverThreshold)输出信号同时包含了时间和电荷信息脉冲前沿直接高速甄别，代表粒子到达信息经积分成型或放大等处理后的后沿代表电荷信息优点无须ADC等，节省功耗前端电子学输出即为数字信号，节省昂贵的模拟电缆2011-05-0417中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

第十七页，共三十七页，编辑于2023年，星期五TOT应用（1）应用范例：ALICE@LHCSTAR@RHICTOFupgradeofBESIII……2011-05-0418中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

第十八页，共三十七页，编辑于2023年，星期五2011-05-04中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

19NINOinALICETOFBlockdiagramofoneTRMmodulewith192channels第十九页，共三十七页，编辑于2023年，星期五2011-05-04中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

20NINOinSTARTOFThetop-leveldiagramoftheTOFelectronicsTheMRPCdigitizationboard“TDIG”第二十页，共三十七页，编辑于2023年，星期五2011-05-04中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

21BESIII端盖TOF升级方案前放（NINO）位于探测器每侧端盖36个MRPC前放模块负责一个MRPC模块的24路输出数字化插件（TDIG）位于后端每个TDIG负责72路NINO的前、后沿时间测量需要9片HPTDC符合产生击中信息送TOFTrigger插件需要相应后插模块和并串转换及电光转换插件接口至目前的TOFTrigger插件总共需要24个TDIG插件大量NINO输出需要经过长电缆传输第二十一页，共三十七页，编辑于2023年，星期五BESIII端盖TOF升级方案2011-05-04中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

22第二十二页，共三十七页，编辑于2023年，星期五TOT应用（2）其他SFE16将应用于兰州重离子加速器改造冷储存环外靶实验Milagro实验WCDA读出电子学中的TOT2011-05-0423中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

第二十三页，共三十七页，编辑于2023年，星期五TOT应用（3）QTCforSuper-K可能的应用——LHAASO之WCDA读出电子学？2011-05-0424中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

第二十四页，共三十七页，编辑于2023年，星期五LHAASOProject根据探测器阵列所探测粒子的相对到达时间重建宇宙线大气簇射前锋面和入射角度WCDA读出电子学时间测量精度500ps，KM2A读出电子学时间测量精度1ns2011-05-0425中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

第二十五页，共三十七页，编辑于2023年，星期五2011-05-04中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

26WaterCherenkovDetectorSensitivetocosmicgammaraysMaintainingtheall-sky,high-duty-factorcapabilitiesofanEASarray4pondseachwiththeareaof2.25x104m2Eachwillbefilledwithpurifiedwater900PMTswillbedeployedunderthewaterofeachpondForatotalof3600PMTsandcorrespondingreadoutelectronicsHamamatusR5912employedinDayaBayexperimentisthecandidatetype第二十六页，共三十七页，编辑于2023年，星期五2011-05-04中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

27TheRequirementofElectronicsDigitalizingtheaccuratearrivaltimeoftheselectedshowersBoththetimingandpulseheightofeachPMTisimportant0.5nstimeresolutionforleadingedgetimemeasurementAwidedynamicrangeof1~4000PEsforpulseheightmeasurementAtriggerdecisionmustbemadetoselectshowersClockandcalibrationsystemsareessentialDistributingthelargenumberofsignalsoverthelongdistance(~100m)isanissuePre-AmplifierorFront-endprocesscircuitisneeded第二十七页，共三十七页，编辑于2023年，星期五SketchofElectronics2011-05-04中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

28第二十八页，共三十七页，编辑于2023年，星期五2011-05-04中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

29ThreeCandidateSchemesTraditionalschemeSimilarlywithDayaBayExperiment’selectronics,withtheadditionalPre-amplifierThematureschemeMuchpowerconsumptionandexpensebecauseoftheADCsTOTschemeAdoptedbyMilagrito/MilagroandtheplannedHAWCexperimentTheTDCmarkseachtimethatapulsecrossesavoltagethresholdwithaedgeLowerpowerconsumptionandexpensefortheabsenceofADCsWaveformSamplingandDigitizerschemeASICsofDRS4,LABRADOR(TARGET2)areoptions第二十九页，共三十七页，编辑于2023年，星期五2011-05-04中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

30TOTSchemeThecablefromPMTcomesoutofthepondandgoesintotheFrontEndBoards(FEB)ThesignalfromeachPMTissplitandsenttohighgainandlowgainchargeamplifiers,followedbyapairofdiscriminatorswithdifferentPEthresholdsTheleadingedgegivesthepulse’sarrivaltimeinformation,andthetimewhichtheamplifiedPMTsignalspendsoverthelow/highthresholdrepresentsthechargeofthesignalTheFEBaccommodateseveralneighboringPMTs’processcircuitsThedigitalsignalscarrytheinformationofthepulsestothedigitalboardviaalongribboncable第三十页，共三十七页，编辑于2023年，星期五2011-05-04中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

31ConceptofTOTThepulseheightofasignalfromPMTisproportionaltothestoredchargecausedbyphotoelectronsAPMTpulsedeliversachargewhichchargesacapacitorThecapacitorthendischargesasthatinasimpleRCcircuitTheleadingedgegivesthetimeinformationandthelengthofthepulsegivesthelogarithmofthecharge第三十一页，共三十七页，编辑于2023年，星期五2011-05-04中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

32TheConceptualSimulationforTOT第三十二页，共三十七页，编辑于2023年，星期五2011-05-04中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

33TheConceptualSimulationforTOTThetimeoverthresholdisproportionaltothelogarithmofthePEnumberSmallsignalwithlittleamountPEsresultsintherelativelylargeerrorAmplificationandlowthresholddiscriminatorforsmallsignalareessentialWhileamplificationforlargesignalwillleadtosaturation第三十三页，共三十七页，编辑于2023年，星期五2011-05-04中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

34TwoSeparateThresholdsDiscriminatorConceptAsmallpulsefromthePMTcanpassonlythelowthreshold,andthusitonlyproducestwocrossingedgetimesAlargesignalcanfireboththelowthresholdandthehighthresholdtogenerate4edgecountsintheTDCThedelaysinthecircuitensureafixedtimeinterval(~25ns)betweenthelowandhighthresholdoutputs第三十四页，共三十七页，编辑于2023年，星期五2011-05-04中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

35TheAdvantagesofDualThresholdTOTAchievethewidedynamicrangeofchargemeasurementThesignalswhicharelargeenoughintendtosaturatethehighgainamplifierAlleviatetheinfluenceofPre-pulsingAlargePMTpulsewithsufficientlylargeamountPEsincreasestheincidenceofpre-pulsingwhichaffectsthelowTOTvalueaswellasthelowstarttimeHigh-startslewingisnotinfluencedbypre-pulsing,sousingthehigh-startslewingwheneveritispossibleisalwaysthefirstchoiceDifferentiatebetweenoverlappingpulsesandareallargepulseAlongpulsewillneverbemistakenforalargesignalifthehighthresholddoesnotfire第三十五页，共三十七页