ATLAS液氬量能器一期升級前端觸發(fā)電子學(xué)原型系統(tǒng)研究.pdf

1、超環(huán)面儀器實驗裝置(ATLAS)是歐洲核子研究中心大型強子對撞機的七大探測器譜儀之一。它利用大型強子對撞機LHC(Large Hadron Collider)空前的高質(zhì)心對撞能量等優(yōu)越實驗條件，著力于研究希格斯玻色子、β衰變中的CP破壞線索以及Top夸克屬性等未知的物理現(xiàn)象。ATLAS在2012年夏天探測到的希格斯玻色子(125 GeV)無疑帶給世界一個振奮人心的好消息。為了進一步提高ATLAS研究潛力并滿足更廣泛的物理需求，ATLAS

2、合作組決定提升探測器的硬件性能，并隨之制定了“ATLAS三期逐步升級”方案。其中，“一期升級”要求ATLAS探測器在更高亮度、更嚴重的堆積噪聲環(huán)境中仍需保持100kHz觸發(fā)帶寬，這個挑戰(zhàn)使探測器的升級以及新觸發(fā)讀出系統(tǒng)的研制都迫在眉睫。本論文以介紹ATLAS液氬量能器一期升級的前端電子學(xué)系統(tǒng)設(shè)計背景為出發(fā)點:首先提出了液氬數(shù)字化觸發(fā)系統(tǒng)的可行性研究方案;然后介紹了液氬數(shù)字化觸發(fā)系統(tǒng)中核心器件的選型以及各器件獨立測試模塊的設(shè)計及評估（電氣

3、性能和耐輻照性能）;進而詳細說明了1/4液氬數(shù)字化觸發(fā)原型系統(tǒng)的整體設(shè)計以及其測試系統(tǒng)的搭建、測試結(jié)果的分析;最后簡要介紹液氬數(shù)字化觸發(fā)驗證系統(tǒng)的設(shè)計并展示最新測試結(jié)果。論文的組織按章節(jié)如下:第一章介紹了粒子物理實驗中量能器的重要作用。首先簡要介紹了量能器的主要類型、適用領(lǐng)域及新型量能器的研發(fā)。然后概括了量能器的電子學(xué)特點及發(fā)展趨勢。最后詳細描述了ATLAS液氬量能器的結(jié)構(gòu)以及其電子學(xué)系統(tǒng)設(shè)計需求。第二章闡述了ATLAS液氬量能器一期升

4、級的總體背景。首先簡要介紹了LHC以及ATLAS探測器的結(jié)構(gòu)以及升級的總體規(guī)劃，然后分析了一期升級的物理需求。本章的最后部分明確了ATLAS液氬量能器一期升級的目的以及與二期升級的兼容性。第三章介紹了ATLAS液氬量能器的當前電子學(xué)系統(tǒng)。首先展示了液氬量能器的當前粒度分布及信號特征;然后簡要介紹了當前觸發(fā)讀出電子學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計需求、總體結(jié)構(gòu)以及各子模塊功能;最后討論了當前電子學(xué)系統(tǒng)的局限性 及升級目標。第四章探討了液氬數(shù)字化觸發(fā)系統(tǒng)LTD

5、B（Liquid Argon Trigger Digitizer Board）設(shè)計方案的可行性。首先簡介了LTDB升級背景并提出LTDB的設(shè)計要求:每塊LTDB不僅需要對320通道細粒度“超級信息胞”(“Super Cell”，SC)信號進行40MHz的數(shù)字化采樣并進行數(shù)據(jù)封裝后通過光纖傳輸?shù)胶蠖穗娮訉W(xué)系統(tǒng)，而且需要重新將“層累加模塊”輸出的累加信號進行層與層之間的二次累加并將結(jié)果返回給“觸發(fā)塔形成模塊”，以保證當前的觸發(fā)電子學(xué)系統(tǒng)仍可

6、以正常工作。然后從以下方面討論了LTDB的研制重點:主要包括機械設(shè)計、散熱系統(tǒng)設(shè)計、供電電源設(shè)計、模擬電路和數(shù)字電路如何分離以及核心元器件的選擇和評估，同時本章還給出為LTDB制定的分階研制計劃。第五章描述了1/4液氬數(shù)字化觸發(fā)原型系統(tǒng)的整體設(shè)計。該系統(tǒng)包括:1/4數(shù)字化觸發(fā)母板（處理80通道的“SC”信號）、模擬信號調(diào)理子模塊、光纖子卡系列以及模擬信號注入模塊。同時，本章還重點描述了以上各子模塊的原理性設(shè)計以及版圖規(guī)劃。最后本章詳細闡