lawca前端读出电子学原型电路的设计和测试

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1、目录4．3．1．5模拟数字变换电路设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯424．3．2时间测量部分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．454．3．2．1时间测量电路结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯464．3．2．2基于FPGA的TDC设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．474．3．3时钟模块⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一544．3．4标定电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．564．3．5USB传输模块⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．574．4小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

2、⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．58第五章系统测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．595．1实验室测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．605．1．1电荷测量电路功能测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．605．1．1．1打拿极通道功能测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯615．1．1．2阳极通道功能测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯625．1．2整体性能测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一645．1．2．1电荷测量测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯645．1．2．2时间测量精度测试⋯⋯

3、⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯675．2探测器联调测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．695．2．1电荷测量精度联调测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．695．2．2时间测量精度联调测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．725．3小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．74第六章总结和展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一75参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一77附录LAWCA前端读出电子学原型电路实物图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯79致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯

4、⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．81在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．82Vl第一章引言第一章引言1．1宇宙线探测宇宙线因其起源之谜而一直困扰着当今科学界，被称为21世纪11大科学难题之一。宇宙线是目前人类能够获得来自宇宙空间的唯一物质载体，并且为科学家提供了天然的高能粒子源，带动了粒子物理的快速发展，并促使了一系列新粒子的发现[3】。研究也发现宇宙线中大约89％的宇宙线是单纯的质子或氢原子核，10％是氦原子核或Q粒子，还有1％是重元素。这些原子核

5、构成宇宙线的99％。孤独的电子，构成其余1％的绝大部分；y射线和超高能中微子只占极小的一部分。这些来自外太空的高能粒子无时无刻不在轰击着地球上的万物，在海平面上其频率达到200Hz／m2，在海拔更高大气更为稀薄的青藏高原上更是达到1500I-Iz／m2，随着研究的不断深入，人们发现宇宙线粒子的能量更是惊人，迄今为止人类观测到的宇宙线粒子能量最高达到1020eV，是人类目前可以产生粒子能量的3000倍，宇宙线粒子的能量增加10倍，其数目减少为原来千分之--[21。宇宙线粒子能谱如图1—1所示。_>D(≥厶●长n●g、_，《

6、爝1酽l矿10户10910’1】0¨101510’710。’102能量(eV)图1．1宇宙线粒子能谱这些高能宇宙线源头在何方，又为何能在如此宽J、．的能量范围内保持简单的谱埘坶"”∽”"”铲第一’章引言分布?宇宙线的观测主要有两种方式。对于10MeV以下的宇宙线因其通量足够大，可以使用直接观测法，利用探测面积在平方米量级的探测器直接探测原始的宇宙线粒子，这种方法需要将探测器搭载在卫星、空间站或者高空气球上，避免宇宙线粒子被大气所吸收。直接探测能够比较准确地得到宇宙线信息，包括成分、能谱等，但由于运载能力的限制所能使用的探

7、测器通常较dX[4]。而对于能量在1014eV以上的宇宙线则必须使用间接探测法，探测宇宙线与大气互相作用发生广延大气簇射(ESA)所产生次级粒子来反推出宇宙线的特性，这种作用由法国物理学家Auger于1938年发现。宇宙线抵达地球后，首先与大气层中氧、氮等原子核发生撞击，将原子核击碎的同时入射宇宙线本身也裂为数十或者上百个次级粒子，这些次级粒子仍然拥有很高的能量，将继续撞击大气中的原子核，产生下一级次级粒子。经过多次这种撞击后，次级粒子的能量已经较低，而在整个过程中产生一场粒子阵雨，这场阵雨中主要成份是u子、强子、光子、

8、中子和中微子，覆盖数公里甚至更大的范围，总带电粒子数目可达1011。依靠在加速器研究中已经较为成熟的粒子碰撞、衰变等知识，来描述此粒子阵雨产生的过程，从而利用地面观测阵列的测量结果反推出宇宙线第一次碰撞的情况，如作用截面、次级粒子动量等『61。图1．2广延大气簇射第一章引言对广延大气簇射的观测有多种方式，在地面簇射粒