大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)中基于VME的RPC電子學(xué)研制.pdf

1、大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)的主要目的是精確測量中微子混合角θ13，實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在90％置信區(qū)間內(nèi)對sin22θ13的測量達(dá)到0.01的精度。因?yàn)榇髞啚硨?shí)驗(yàn)的本底主要來自宇宙射線，所以大亞灣實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了由水契倫克夫探測器和阻性板室(ResistivePlateChamber，RPC)探測器組成的兩重反符合探測器對宇宙線產(chǎn)生的中子本底進(jìn)行排除。本文主要介紹的是大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)中基于VME(VisaModuleEurocard)的RPC電子學(xué)的

2、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、測試結(jié)果及其分析和總結(jié)。本文第一章介紹了中微子實(shí)驗(yàn)的背景和大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)的概況；第二章首先介紹了國際上運(yùn)行的幾個Muon讀出電子學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，然后從大亞灣RPC電子學(xué)的設(shè)計(jì)需求出發(fā)，介紹了RPC電子學(xué)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的工作流程、系統(tǒng)中的各個模塊和系統(tǒng)在抗干擾方面的考慮；第三章介紹了觸發(fā)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，重點(diǎn)介紹了RPC觸發(fā)插件(RPCTriggerModule，RTM)的硬件設(shè)計(jì)和邏輯設(shè)計(jì)；第四章介紹了讀出子系統(tǒng)的

3、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，重點(diǎn)介紹了VME讀出插件(ReadoutModule，ROM)的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和改造；第五章給出了RPC電子學(xué)的相關(guān)測試；第六章對本論文的工作進(jìn)行了總結(jié)并展望了未來的工作。
　　 根據(jù)大亞灣實(shí)驗(yàn)對RPC電子學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，在總結(jié)國際上已經(jīng)在運(yùn)行的Muon讀出電子學(xué)系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，我們設(shè)計(jì)研制了由觸發(fā)子系統(tǒng)和讀出子系統(tǒng)組成的基于VME的RPC電子學(xué)。觸發(fā)子系統(tǒng)主要完成觸發(fā)相關(guān)的功能，由前端板FEC(Front-End

4、Card)、讀出傳輸板ROT(ReadoutTransceiver)和VME觸發(fā)插件RTM組成。在觸發(fā)子系統(tǒng)中，前端板FEC負(fù)責(zé)收集來自RPC探測器的感應(yīng)條輸出信號，并產(chǎn)生符合信號；讀出傳輸板ROT負(fù)責(zé)將FEC產(chǎn)生的符合信號上傳給RTM，并將RTM產(chǎn)生的本地觸發(fā)信號下發(fā)給FEC;RTM負(fù)責(zé)接收來自FEC的符合信號，根據(jù)符合信號產(chǎn)生本地觸發(fā)信號并下發(fā)給FEC，同時，在有符合信號產(chǎn)生時產(chǎn)生觸發(fā)數(shù)據(jù)。在整個觸發(fā)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，VME觸發(fā)插件R

5、TM具有重要的地位。RTM通過大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷倪\(yùn)用，形成對應(yīng)于整個實(shí)驗(yàn)廳的RPC模塊的Triggermap，以完成周邊觸發(fā)的功能。為了與其它探測器系統(tǒng)交叉檢查觸發(fā)的性能和研究本底，RTM還具備接收來自主觸發(fā)系統(tǒng)的CrossTrigger的功能。讀出子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)事例數(shù)據(jù)的讀出功能，由前端板FEC、讀出傳輸板ROT和讀出插件ROM組成。讀出子系統(tǒng)使用大量的FPGA(FieldProgrammableGateArray)，以完成事例數(shù)

6、據(jù)的實(shí)時讀出。ROM和RTM都是9U的VME插件。RPC電子學(xué)通過VME總線的CBLT(ChainBlockTransfer)協(xié)議將ROM中的事例數(shù)據(jù)和RTM中的觸發(fā)數(shù)據(jù)上傳給DAQ系統(tǒng)。
　　 我們在設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的時候充分的考慮了系統(tǒng)的抗干擾性能。主要采用了以下抗干擾的措施：
　　 1)系統(tǒng)的前端（ROT與FEC之間的連接）采用了星形的連接方式；
　　 2)ROT與ROM（或RTM）之間的采用了光纖傳輸以隔離地

7、線；
　　 3)系統(tǒng)中使用的電纜采用了帶屏蔽的電纜，并且使電纜的屏蔽層在ROT一側(cè)單端接地；
　　 4)系統(tǒng)中的FEC和ROT都使用了屏蔽盒和機(jī)箱進(jìn)行了屏蔽；
　　 5)設(shè)計(jì)中對于本地觸發(fā)等關(guān)鍵信號采取了防干擾的設(shè)計(jì)。
　　 為了驗(yàn)證RPC電子學(xué)系統(tǒng)的功能和性能，我們進(jìn)行了一系列的測試。測試結(jié)果顯示，RPC電子學(xué)系統(tǒng)完全滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。大亞灣近廳的安裝結(jié)束后，RPC電子學(xué)與RPC探測器的聯(lián)合測試更是說

8、明了電子學(xué)系統(tǒng)可以在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場穩(wěn)定運(yùn)行，并且能夠滿足探測器取數(shù)的需求。
　　 目前RPC電子學(xué)3個實(shí)驗(yàn)廳的安裝已經(jīng)結(jié)束。整個大亞灣實(shí)驗(yàn)經(jīng)過安裝調(diào)試和試運(yùn)行之后，已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)際取數(shù)的階段。北京時間2012年3月8日14時，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)國際合作組發(fā)言人王貽芳在北京宣布，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了一種新的中微子振蕩，并測量到其振蕩幾率。
　　 本論文設(shè)計(jì)主要有如下幾個特點(diǎn)：
　　 1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)使用了前端星形連接的方式；<

9、br>　　 2)系統(tǒng)中采用了本地觸發(fā)與系統(tǒng)觸發(fā)相結(jié)合的觸發(fā)方式；
　　 3)在事例數(shù)據(jù)和觸發(fā)數(shù)據(jù)中都添加了與全球定位系統(tǒng)(GlobalPositioningSystem，GPS)同步的絕對時間標(biāo)記，用來對齊不同的探測器系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)；
　　 4)事例數(shù)據(jù)中的秒內(nèi)時標(biāo)和秒級時標(biāo)分別在FEC和ROM上添加，并通過對秒級時間的奇偶校對解決了由于數(shù)據(jù)傳輸引起的秒級時標(biāo)錯誤問題；
　　 5)在數(shù)據(jù)讀出的邏輯設(shè)計(jì)中，采用了