BESⅢ端盖飞行时间读出电子学系统升级设计.pdf

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1、UniversityofScienceandTechnologyofChinaAdissertationformaster’sdegreeDesignoftheUpgradingReadoutElectronicsSystemforBESIIIETOFAuthor’sName：ChunyanYinspeciality：PhysicalElectronicsSupervisor：Prof.ShubinLiuFinishedtime:April,2011中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文,是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特别加以

2、标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：___________签字日期：_______________中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入《中国学位论文全文数据库》等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质

3、论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。□公开□保密（____年）作者签名：_______________导师签名：_______________签字日期：_______________签字日期：_______________摘要摘要北京正负电子对撞机（BEPC）和北京谱仪（BESIII）于2008年7月成功升级，升级后系统分别称为BEPCII和BESIII。作为对撞机的核心部分之一，北京谱仪BESIII担负着测量和分辨对撞机产生的粒子任务，由主漂移室，飞行时间计数器（TOF），μ子计数器，以及对应的读出电子学系统等组成。自升级后运行以来，各项指标均

4、满足设计要求，取得一系列重大成果。飞行时间计数器（TOF）是BESIII实现粒子分辨的重要部分，测量带电粒子飞行时间，分为端盖（ETOF）和桶部（BTOF）两部分，其中BTOF是世界上同类TOF探测器中性能最好的，时间测量精度小于90ps。但ETOF由于1）物质层散射增加了端盖径迹长度的不确定性；2）MDC径迹重建导致Z向击中位置不确定；3）受到噪声问题的困扰，导致ETOF测量精度仅138ps。为实现更高的时间分辨和提高粒子分辨能力，ETOF系统将升级，包括探测器和读出电子学系统。升级后的系统探测器将使用MRPC技术，具有高时间分辨精度和探测效率，并在国际大型粒子

5、物理装置，如CERN的ALICETOF系统和美国BNL的STARTOF系统中成功运用。根据MRPC探测器输出特点，飞行时间读出电子学系统也将升级，以实现高精度的飞行时间测量，测量精度要求小于25ps。本文将讨论ETOF升级读出电子学系统实现方案，重点介绍时间测量的实现方法和升级系统中采用的方案、时间数字化插件（TDIG，TimeDigital）的设计和测试结果。粒子物理实验中，飞行时间测量通常对探测器输出信号定时甄别，再经时间数字化实现。第二章介绍时间测量方法，详细阐述被广泛采用的前沿定时和计数器型时间数字化技术，引入高性能TDC——HPTDC的介绍。由于前沿定时

6、需要修正“时间游动”效应，常用的方法有电荷修正，幅度修正等。其中电荷修正方法在大型探测器系统中被采用，实现的前提是对信号进行电荷测量。第二章中介绍电荷测量技术，如波形采样，电荷-电压转换和电荷-时间转换等。详细说明通过测量时间实现的电荷-时间转换和基于这个方法的TOT技术。第三章调研国内外大型探测器系统读出电子学，结合ETOF升级探测器自身的特点，提出了基于TOT技术的放大甄别和基于计数器TDC的时间数字化方案，并采用电荷修正方法修正“时间游动”效应。时间测量和电荷测量数字化均由HPTDC芯片实现。第四章讨论整个读出电子学系统设计，包括实现探测器信号放大甄别的前端

7、I摘要电子学模块FEE，时间数字化的TDIG插件和辅助模块CTTP，主时钟扇出模块。重点阐述时间数字化TDIG插件的设计和技术细节。第五章展示读出电子学系统的性能测试结果。测试在实验室环境下进行，分为时间数字化TDIG插件性能测试和读出电子学系统性能测试两个阶段。主要测试各个通道的测量精度和非线性。测试结果表明，读出电子学系统满足设计指标，实现小于25ps的测量精度。关键词：BESIII，ETOF升级，MRPC，飞行时间读出电子学，HPTDC，TDIGIIAbstractAbstractTheBeijingElectronPositronCollider(BEPC

8、)andt