大亞灣反應堆中微子實驗中基于VME的RPC電子學研制.pdf

1、大亞灣反應堆中微子實驗的主要目的是精確測量中微子混合角θ13，實驗的設計目標是在90％置信區(qū)間內對sin22θ13的測量達到0.01的精度。因為大亞灣實驗的本底主要來自宇宙射線，所以大亞灣實驗設計了由水契倫克夫探測器和阻性板室(ResistivePlateChamber，RPC)探測器組成的兩重反符合探測器對宇宙線產生的中子本底進行排除。本文主要介紹的是大亞灣中微子實驗中基于VME(VisaModuleEurocard)的RPC電子學的

2、設計、實現(xiàn)、測試結果及其分析和總結。本文第一章介紹了中微子實驗的背景和大亞灣反應堆中微子實驗的概況；第二章首先介紹了國際上運行的幾個Muon讀出電子學系統(tǒng)的結構，然后從大亞灣RPC電子學的設計需求出發(fā)，介紹了RPC電子學的系統(tǒng)結構、系統(tǒng)的工作流程、系統(tǒng)中的各個模塊和系統(tǒng)在抗干擾方面的考慮；第三章介紹了觸發(fā)子系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)，重點介紹了RPC觸發(fā)插件(RPCTriggerModule，RTM)的硬件設計和邏輯設計；第四章介紹了讀出子系統(tǒng)的

3、設計和實現(xiàn)，重點介紹了VME讀出插件(ReadoutModule，ROM)的設計、實現(xiàn)和改造；第五章給出了RPC電子學的相關測試；第六章對本論文的工作進行了總結并展望了未來的工作。
　　 根據大亞灣實驗對RPC電子學系統(tǒng)的設計需求，在總結國際上已經在運行的Muon讀出電子學系統(tǒng)的經驗的基礎上，我們設計研制了由觸發(fā)子系統(tǒng)和讀出子系統(tǒng)組成的基于VME的RPC電子學。觸發(fā)子系統(tǒng)主要完成觸發(fā)相關的功能，由前端板FEC(Front-End

4、Card)、讀出傳輸板ROT(ReadoutTransceiver)和VME觸發(fā)插件RTM組成。在觸發(fā)子系統(tǒng)中，前端板FEC負責收集來自RPC探測器的感應條輸出信號，并產生符合信號；讀出傳輸板ROT負責將FEC產生的符合信號上傳給RTM，并將RTM產生的本地觸發(fā)信號下發(fā)給FEC;RTM負責接收來自FEC的符合信號，根據符合信號產生本地觸發(fā)信號并下發(fā)給FEC，同時，在有符合信號產生時產生觸發(fā)數(shù)據。在整個觸發(fā)子系統(tǒng)的設計中，VME觸發(fā)插件R

5、TM具有重要的地位。RTM通過大規(guī)模可編程邏輯器件的運用，形成對應于整個實驗廳的RPC模塊的Triggermap，以完成周邊觸發(fā)的功能。為了與其它探測器系統(tǒng)交叉檢查觸發(fā)的性能和研究本底，RTM還具備接收來自主觸發(fā)系統(tǒng)的CrossTrigger的功能。讀出子系統(tǒng)主要實現(xiàn)事例數(shù)據的讀出功能，由前端板FEC、讀出傳輸板ROT和讀出插件ROM組成。讀出子系統(tǒng)使用大量的FPGA(FieldProgrammableGateArray)，以完成事例數(shù)

6、據的實時讀出。ROM和RTM都是9U的VME插件。RPC電子學通過VME總線的CBLT(ChainBlockTransfer)協(xié)議將ROM中的事例數(shù)據和RTM中的觸發(fā)數(shù)據上傳給DAQ系統(tǒng)。
　　 我們在設計系統(tǒng)結構的時候充分的考慮了系統(tǒng)的抗干擾性能。主要采用了以下抗干擾的措施：
　　 1)系統(tǒng)的前端（ROT與FEC之間的連接）采用了星形的連接方式；
　　 2)ROT與ROM（或RTM）之間的采用了光纖傳輸以隔離地

7、線；
　　 3)系統(tǒng)中使用的電纜采用了帶屏蔽的電纜，并且使電纜的屏蔽層在ROT一側單端接地；
　　 4)系統(tǒng)中的FEC和ROT都使用了屏蔽盒和機箱進行了屏蔽；
　　 5)設計中對于本地觸發(fā)等關鍵信號采取了防干擾的設計。
　　 為了驗證RPC電子學系統(tǒng)的功能和性能，我們進行了一系列的測試。測試結果顯示，RPC電子學系統(tǒng)完全滿足系統(tǒng)的設計需求。大亞灣近廳的安裝結束后，RPC電子學與RPC探測器的聯(lián)合測試更是說

8、明了電子學系統(tǒng)可以在實驗現(xiàn)場穩(wěn)定運行，并且能夠滿足探測器取數(shù)的需求。
　　 目前RPC電子學3個實驗廳的安裝已經結束。整個大亞灣實驗經過安裝調試和試運行之后，已經進入了實際取數(shù)的階段。北京時間2012年3月8日14時，大亞灣中微子實驗國際合作組發(fā)言人王貽芳在北京宣布，大亞灣中微子實驗發(fā)現(xiàn)了一種新的中微子振蕩，并測量到其振蕩幾率。
　　 本論文設計主要有如下幾個特點：
　　 1)系統(tǒng)結構使用了前端星形連接的方式；<

9、br>　　 2)系統(tǒng)中采用了本地觸發(fā)與系統(tǒng)觸發(fā)相結合的觸發(fā)方式；
　　 3)在事例數(shù)據和觸發(fā)數(shù)據中都添加了與全球定位系統(tǒng)(GlobalPositioningSystem，GPS)同步的絕對時間標記，用來對齊不同的探測器系統(tǒng)之間的數(shù)據；
　　 4)事例數(shù)據中的秒內時標和秒級時標分別在FEC和ROM上添加，并通過對秒級時間的奇偶校對解決了由于數(shù)據傳輸引起的秒級時標錯誤問題；
　　 5)在數(shù)據讀出的邏輯設計中，采用了