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1、第30卷第8期高能物理与核物理Vol.30,No.82006年8月HIGHENERGYPHYSICSANDNUCLEARPHYSICSAug.,2006BESⅢⅢⅢTOF前端读出电子学系统原型设计和实验结果*1)郭建华刘树彬周世龙刘小桦安琪(中国科学技术大学近代物理系快电子学实验室合肥230026)摘要作为北京谱仪(BeijingSpectrometer,简称BES)的改造,BESⅢ将把TOF(time-of-°ight)测量精度提高到一个新的水平,总时间分辨不大于90ps.其中要求前端电子学(FrontEndElect
2、ronics,FEE)对时间测量的不确定性贡献小于25ps.本文介绍了TOF前端读出电子学系统原型电路的设计和初步的测试结果.关键词飞行时间谱仪(TOF)高性能时间数字转化芯片(HPTDC)积分非线性微分非线性RMS时间精度1引言合主漂移室测得粒子的动量和径迹,从而辨别粒子的种类;同时它也参加第一级触发判选;而且可以利用北京正负电子对撞机(BeijingElectronPositron不同探测器输出信号之间的时间关系来排除宇宙线本Collider,BEPC)是专门对¿粲能区进行物理研究而底.BESⅢ的TOF探测器设计仍采
3、用成熟的快塑料设计的.BEPC的升级(BEPCⅡ),作为国家大科学闪烁体+光电倍增管(PhotomultiplierTube,PMT)方工程,已于2003年获国务院批准.其相配套的磁谱案,采用双层TOF:双层桶部部分每层由88块条形塑仪
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5、北京谱仪(BES)也正进行BESⅢ的升级.其中料闪烁体组成;单层端盖部分每端由48块扇型塑料闪飞行时间计数器(TOF)作为升级的一部分,要求新的烁体组成.由于桶部条形闪烁体两端各接一个PMT,[1]飞行时间计数器的时间分辨率不大于90ps(RMS).而端盖因空间限制,PMT只能放置于内
6、半径处,因此考虑到TOF本征时间分辨、束团时间的不确定性、总共需要88£2£2+48£2=448个PMT输出进行飞束团长度形成的对撞时刻的不确定性、粒子击中闪烁行时间测量.体的z向定位的不确定性、预期飞行时间不确定性以为实现精度达25ps的时间测量,必须保证读出电及时间游动效应的修正过程等误差,要求TOF前端电子学系统的高速、高带宽.BESⅢ的TOF电子学利子学(FEE)时间测量的分辨率应好于25ps.本文将讨用高速的前沿甄别技术进行时间定时,同时通过测量论FEE的主要部分
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8、FEEVME9U读出插件的设脉冲的幅度以消除
9、时间游动效应带来的误差.原型电计和实验结果.路设计时尽量采用高集成度器件,以简化电路、提高系统一致性和稳定度.每个VME9U读出插件容纳162电路设计个时间/幅度测量通道.磁场下光电倍增管的增益降低,须采用前置放大2.1TOF读出电子学系统整体框架[1]器以保证传输过程的信噪比.由于前置放大器距离BESⅢ中TOF探测器位于主漂移室和晶体量能TOF读出电子学系统较远,为保证时间信息不受损器之间.主要作用是通过所测量的飞行时间信息,结失,通过特制的高带宽(7.5mm外径)18m差分电缆把2005{11{24收稿,2006{0
10、2{13收修改稿*国家大科学工程北京正负电子对撞机升级项目和安徽高校物理电子学"省级重点实验室资助1)E-mail:liushb@ustc.edu.cn761
11、766762高能物理与核物理(HEP&NP)第30卷前放输出的差分信号送到读出电子学插件.图1是读图2是VT转换电路的原理图,主要由3个部分组[2]出电子学系统大致信号流向图.前放信号通过插件成:峰保持电路,放电电路和甄别电路.峰保持电路上的一个差分缓冲芯片(THS4500)后分为两路:其中用一个电容将输入信号的幅度信息转为相应的电荷一路送入甄别器用于时间测量,
12、另外一路送给幅度测量,然后通过线性放电电路和一个比较器,将电荷量量电路.转换为相应宽度的脉冲输出.该脉冲输出送入精度为100ps的TDC测量宽度,对于满幅度(4V)输入的脉冲信号,可获得8bit的测量精度.图1系统信号流向图时间测量采用双阈甄别符合模式:低阈用于定时,高阈用于判选.同时高阈也作为幅度测量电路的启动图2VT转换原理图信号.高低阈符合后的信号被立即送到TDC中进行前2.4时间数字转换器沿时间测量,测量数据通过接口模块由VME控制器读取.从图1中知道,在TOF读出电子学插件的时间测幅度测量采用VT转换(Volt
13、ageTimeConverter)量和幅度测量中,分别需要多达16个通道的,精度方案,即将信号的幅度转为相应脉宽的脉冲,再利用非常高的TDC.针对BESⅢ的TOF探测器预计4K/sTDC进行时间测量,这样可以利用高集成度的TDC的事例率,要求TDC具有多次击中能力.而且由于简化电路.最后也是通过接口把数据送出.时间测
