核電子學(xué)及其進展

1、1,核電子學(xué)及其進展,金 革2008.2,2,核電子學(xué),利用探測技術(shù)、電子技術(shù)和計算機技術(shù)獲取核和粒子物理信息的測量方法學(xué)由于核和粒子物理信息的多樣性和測量條件復(fù)雜性，要求盡可能地利用當(dāng)今最先進的技術(shù)和方法來克服物理測量的固有限制，以最大限度地反映出物理現(xiàn)象的本質(zhì)。核電子學(xué)是在核物理和粒子物理領(lǐng)域發(fā)展起來的電子學(xué)測量方法學(xué)，包括粒子探測技術(shù)、電子學(xué)技術(shù)、物理分析方法等。目前其應(yīng)用領(lǐng)域遠遠超出核物理和粒子物理范疇。,3,核電子

2、學(xué)的處理對象,主要處理核反應(yīng)產(chǎn)生的信號核反應(yīng)固定靶實驗對撞實驗主要探測的粒子?、?、e、p、n、?、?、?、?,4,核電子學(xué)處理對象的特點,處理對象是單次脈沖信號在時間上和幅度上是隨機的測量精度要求高：時間分辨：ns，ps幅度分辨：mv，?v空間分辨： ?m信息量大，在一些大型粒子物理實驗中，常常有上百萬、甚至千萬個探測通道。事例率高，ATLAS探測器每25ns產(chǎn)生一次事例測量時間長，連續(xù)運行數(shù)月測量條件惡劣：

3、強輻射，強磁場，強電場,5,核電子學(xué)的基本技術(shù),隨機信息處理技術(shù)單次隨機脈沖幅度分析：信號提取，濾波成形，放大，AD等噪聲處理技術(shù)：信號和噪聲在幅度上相當(dāng)時間分析：定時，符合，時間測量，時間放大計數(shù)測量技術(shù)：信號的fmax>電子設(shè)備的fmax粒子分辨技術(shù)：在時間上、脈沖形狀上、粒子飛行軌跡上、幅度上、探測器的組合上觸發(fā)判選技術(shù)：從大量的本底事例中選出有用事例,6,核電子學(xué)基本技術(shù),快電子學(xué)技術(shù)

4、核衰變的壽命在ns/ps量級，要求電子學(xué)的響應(yīng)和測量能力能滿足需求實時處理技術(shù) 在實驗過程中，為了實時了解和控制實驗過程和結(jié)果發(fā)展起來的一門技術(shù)，它包括：在線處理、顯示、保存和控制總線和標準化 總線技術(shù)雖不是核電子學(xué)專用的，但是它被最早應(yīng)用于核電子學(xué)領(lǐng)域：NIM、CAMAC、FASTBUS、VME/VXI、GPIB,7,核電子學(xué)基本技術(shù),成像技術(shù) 徑跡重建，

5、尋找粒子飛行軌跡 圖像重建，CT、PET網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)最初主要用于軍事目的，但最早用于民用是在高能物理中。最早實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)的是世界上幾個著名的加速器，CERN、FERMILAB、BROCKHEAVEN 、 KEK、 DESY離線技術(shù) 模擬技術(shù)，分析技術(shù),8,核電子學(xué)數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)結(jié)構(gòu),,,,,信息提取,數(shù)字化,判選,數(shù)據(jù)獲取,9,信息提取,信息提取電路是從探測單元中提

6、取出能量、時間、位置等信息，以電脈沖信號輸出。 信息提取電路包括有： 前置放大器 主放大器 (成形濾波放大、定時濾波放大） 定時甄別器 脈沖形狀甄別器等,10,信息提取,前置放大器 電流靈敏放大器：用于定時，高計數(shù)率信號予放大電荷靈敏放大器：用于能譜測量予放大 寄生電容前置放大器：用于低分辨能譜測量予放大主放大器成形濾波放大器：用于能譜測量信號放大寬帶放大器：用于高計數(shù)率測量中信號放大 定時濾波放大器

7、：用于時間測量中定時用的信號放大,11,信息提取,成形濾波放大器 主要是提高能量分辨，影響能量分辨的因素有：噪聲計數(shù)率效應(yīng)堆積和基線漂移彈道虧損效應(yīng) 幾種采用不同成形處理的成形濾波放大器： 延遲線成形 DL或(DL)2 CR-RC成形 (帶極零相消) 半高斯成形 (微分+有源積分) 基線恢復(fù) 反堆積,12,信息提取,時間甄別提取脈沖到達的時間信息，用于時間測量與高計數(shù)率下計數(shù)定時誤差來源(影響時間分

8、辨的因素)： Time Jitter (晃動) 噪聲引起 Time Walk (游動) 幅度變化引起 Drift (漂移)電平慢變化引起,13,信息提取,定時甄別器定時甄別器類型：前沿定時甄別器 (LED) 恒比定時甄別器 (CFD) 過零定時甄別器 (CZD) 幅度上升時間補償定時甄別器 (ARCD) 脈沖形狀甄別器提取脈沖形狀信息，甄別粒子類型,14,數(shù)字化,數(shù)字化電路是將信息提取電路中提取的模擬信號進行

9、數(shù)字化。 數(shù)字化電路類型有： 積分和微分幅度甄別器(單道分析器)，進行一位模數(shù)變換 模數(shù)變換電路(ADC)，進行一位以上模數(shù)變換時間-數(shù)字變換器位置編碼電路,15,模數(shù)變換電路（ADC）,常用的幾種ADC： 線性放電型ADC 逐次比較型ADC 多甄別器型ADC (FADC) ADC的主要性能指標是微分非線性（DNL）和變換時間；線性放電型ADC微分非線性最佳，多甄別器型ADC最差；線性放電型ADC變換時間最長，多

10、甄別器型ADC最短； 微分非線性改善方法：道寬平滑器,16,時間-數(shù)字變換器,將二個信號之間的時間間隔數(shù)字化，按變換方法不同有以下幾種類型： 直接計數(shù)型TDC 游標尺型TDC TAC+ADC,17,位置編碼電路,將不同物理位置編成數(shù)碼輸出，如對多絲正比室的每一根信號絲進行位置編碼進行保存。,18,記錄統(tǒng)計,計數(shù)率儀 定標器(計數(shù)器)和多路定標器 多道分析器: 多道幅度分析器 專用多道分析器

11、 ADC+接口+計算機多道時間分析器,19,事例選擇,幅度選擇：甄別器時間條件選擇: 符合技術(shù) 快符合與快慢符合 物理條件符合符合電路的性能由分辨曲線及分辨時間來描述,20,數(shù)據(jù)獲取DAQ,由于核物理和高能物理實驗的規(guī)模一般非常大，因此實驗數(shù)據(jù)的采集和控制需要高速處理：高速通訊：1000MHz網(wǎng)，100GHz數(shù)據(jù)傳輸核聚變實驗：信號時間寬度1ns，上升時間幾十ps粒子壽命測量

12、：ps量級高壓放電波形記錄加速器物理實驗：北京譜儀：40ns，LHC：25ns,21,高能物理實驗的DAQ,電子學(xué)：將探測器輸出的信號放大、成形等處理后數(shù)字化，將信息暫存并作數(shù)據(jù)預(yù)處理；觸發(fā)判選：選擇滿足物理條件的好事例，壓縮本底事例；數(shù)據(jù)獲取和在線分析：讀出通過觸發(fā)判選的好事例數(shù)據(jù)，以數(shù)字形式記錄下來；給出反映探測器性能的各種統(tǒng)計圖形以及所獲事例的分類統(tǒng)計圖形，監(jiān)測探測器與電子學(xué)工作狀態(tài)；離線數(shù)據(jù)分析：將在線機上記錄下來的數(shù)

13、據(jù)在離線機上進行分析和處理，把數(shù)據(jù)還原為粒子種類、能量、動量等物理量。,22,,高能物理中的探測器,半導(dǎo)體探測器氣體探測器塑料閃爍探測器晶體閃爍探測器液體閃爍探測器切倫科夫探測器,頂點室徑跡室粒子鑒別電磁量能器強子量能器Muon 室中微子探測器,,,,,,,,,,,,,,,,,23,多絲 電磁 強子 µ 子室 徑跡室 量能器 量能

14、器,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,24,60-70年代的DAQ,使用NIM標準插件作為前端電子學(xué)讀出邏輯信號采用CAMAC標準儀器處理由一個小型計算機從CAMAC總線中讀出數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)不能并行處理數(shù)據(jù)處理能力為Kbyte/s,25,NIM,在核儀器領(lǐng)域中NIM標準是一個公認的標準，該標準1964年提出，1974年正式作為標準（TID20893 ）。 電源：?6V，?12V，?24V

15、NIM邏輯信號定義： 正邏輯： OUTPUT INPUT LOGIC 1 +4 —+12V +3 —+12V LOGIC 0 +1 —+2V +1.5 —+2V負邏輯： OUTPUT

16、 INPUT LOGIC 1 -14 — -18mA -12 — -36mA LOGIC 0 -1 —+1mA -4 — +20mA提供50歐姆阻抗負載上，這些標準與TTL、ECL邏輯定義有一定的差別，因此注意電平轉(zhuǎn)換。,26,,,NIM,27,CAMAC,該標準1969年

17、提出，1975年正式作為標準。電源：?6V，?24V，117ACV，?12V作為非標準電源信號：24R，24W，24N，24L A8，A4，A2，A1 F16，F(xiàn)8，F(xiàn)4，F(xiàn)2，F(xiàn)1 B，S1，S2，X，Q，I，C，Z電平：TTL數(shù)據(jù)傳輸率為3MByte,28,CAMAC,29,80-90年代的DAQ,由于探測器的分辨能力增加，使得系統(tǒng)的通道數(shù)目急劇增加；由于稀有事例的研究，使得對事件率的需求急劇增

18、加由此引起DAQ系統(tǒng)的數(shù)據(jù)帶寬需求達到MByte/s.要求系統(tǒng)對非感興趣的事例進行過濾，使保存到永久存儲介質(zhì)上的數(shù)據(jù)帶寬在100 KByte/s左右。由于探測器規(guī)模和復(fù)雜程度急劇增大，要求DAQ系統(tǒng)分布在各個子探測器中，各部分協(xié)調(diào)一致工作，完成整個探測器的DAQ任務(wù)。多處理器并行處理,30,80-90年代的DAQ系統(tǒng),采用分層的樹狀結(jié)構(gòu)，在每個節(jié)點為一個計算節(jié)點,采用分布式計算技術(shù)，有利于VME 和 Fastbus 等多主設(shè)備系

19、統(tǒng)容易構(gòu)成DAQ 局部系統(tǒng)數(shù)據(jù)率可達到 Mbytes/s,31,FastBus,該標準1986年提出，1989年正式作為標準。電源：+5V，200-300A-5.2V，60A-2V, 100A?15V為可選項,32,,,33,,,34,VME,該標準1984年提出，1989年正式作為標準。電源：+5V, ?12V該標準數(shù)據(jù)和地址寬度：16，24，32，64位，數(shù)據(jù)傳輸率可達80MB,35,VME,36,為了能使

20、VME板容納更多的電子學(xué)功能，VME板的尺寸擴展到9U。ASIC的使用使得電路板的電子學(xué)邏輯密度更高但以背板總線作為數(shù)據(jù)通道成為了瓶頸。,21世紀DAQ的發(fā)展趨勢,37,機箱背板總線逐步由組件間點對點的高速互連替代。機箱間的互連逐步被高速交換機替代 計算平臺被 可運行LINUX的PC farms替代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)替代，如 Ethernet，Grid數(shù)據(jù)在本地處理,21世紀DAQ的發(fā)展趨勢,38,21世紀DAQ的發(fā)展趨勢,39,在

21、線和離線的界限,探測器的越來越穩(wěn)定，如在線診斷和錯誤恢復(fù)的任務(wù)變得不是很重。在線計算的能力隨著計算機的發(fā)展不斷的增強，在線的任務(wù)不再只是“數(shù)據(jù)選擇”，更復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析被放到在線處理 。許多離線處理的資源可用于直接在線，在線分析的結(jié)果直接反映出實驗的質(zhì)量。,40,ATLAS探測器,ATLAS探測器由4部分組成：內(nèi)部探測器(黃色)：用于測量粒子的動量；量能器(橙和綠)：測量粒子攜帶的能量；?子譜儀(蘭色)：鑒別和測量?子；磁鐵(

22、灰色)：將使帶電粒子的軌跡發(fā)生彎曲，用于動量測量。,41,ATLAS T/DAQ 系統(tǒng)結(jié)構(gòu),42,安裝中的BESIII探測器,43,44,正在建造中的 BESIII 探測器,,,Be beam pipe,,SC magnet, 1T,Magnet yoke,,,,,MDC, 120 mm,CsI(Tl) calorimeter, 2.5 %@1 GeV,,TOF, 90ps,,,,,,,,,,,RPC,,,45,BESIII DAQ設(shè)計

23、指標,最終完成的任務(wù)和驗收要求： 能在事例率4000Hz，事例平均長度小于12KB的條件下連續(xù)穩(wěn)定獲取數(shù)據(jù)24小時以上，死時間小于5%。,46,BESIII DAQ采用的技術(shù),并行計算技術(shù)網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)多處理器，分布處理并行數(shù)據(jù)流的獨立處理、并發(fā)處理多級緩沖技術(shù)升級方便擴展方便可靠 / 穩(wěn)定 / 出錯恢復(fù),47,BESIII DAQ 基本框架,48,BESIII DAQ 任務(wù),從FEE讀出事件建立事件在線