4101主漂移室电子学-3

北京正负电子对撞机重大改造工程初步设计4.10电子学4.10.1主漂移室电子学4.10.1.1设计目标主漂移室（MDC）电子学系统是用来接收主漂移室6796根信号丝的输出信号，并经过一系列处理后将数据传送至在线数据获取系统作进一步分析处理。其主要任务可归结为：①精确测量对撞产生的次级粒子在穿过室本体时所产生的电离电子到阳极丝（信号丝）的漂移时间，从而给离线分析提供粒子穿过室本体时在(r，)平面中的位置信息，以确定粒子在室体中飞越的径迹和动量。粒子在Z向的位置坐标由斜丝法通过离线分析给出，其R向位置则由信号丝的径向坐标给出。②测量阳极丝（信号丝）输出信号所携带的电荷量，以确定粒子穿过室本体时的能量损失dE/dx，从而鉴别粒子种类。③给触发判选系统（Trigger）提供各个漂移单元信号丝的命中信息，作为其一级判选的依据之一。④接受触发判选系统的判选结果，若判选有效，则将所得数据缓存以便读出，否则则将所得数据适时予以丢弃。1.电荷测量表征电荷测量性能的基本设计指标主要包括电荷分辨、动态范围和积分非线性等项，现分别简述如下。(1)电荷分辨按MDC室本体的设计，在所选用的气体和工作条件下，对最小电离粒子的最可几能量损失的dE/dx分辨要求达到e=6%。该项分辨主要由两部分组成：室本体的贡献和电子学的贡献。室本体固有的能量分辨是系统dE/dx分辨的主要贡献者。为了尽量减少电子学系统对dE/dx分辨的影响，总体设计要求其贡献ee应小于室本体贡献的15%。按此要求，容易算得电子学系统的贡献应满足：%9.0eeMDC设计成阶梯状圆桶形小单元结构，从内到外有按同心元结构组成的43个信号丝层。这样对于一个沿径向穿过的径迹可得43次取样。由于粒子穿过室体时的能量损失服从Landau分布，能量损失的高端有很长的尾巴。通常在考虑能量分辨时，对这些高端信号要作高端截断处理，截端平均可按70%考虑。设单个通道电子学电荷测量的分辨为ENC，则在考虑截断平均后，为使整个电子学系统的贡献不大于0.9%，则应有：第四章BESIII探测器%9.07.043eeENC由此得：ENC≈5%MDC在设计的工作参数下其最小电离粒子的最可几输出电荷量根据估算约100fc，故单个通道的电荷分辨写成以电荷量为单位的形式则有：fcfcENC5%5100这实际上就是系统等效输入噪声电荷的设计值。(2)动态范围在电子学系统和室本体联机情况下，电子学输入端的等效输入噪声电荷将主要由MDC信号丝的单丝输出噪声电荷所决定。考虑到后者的贡献比每道电子学的ENC要大得多，因此量程低端可取为15fc。如前所述，粒子穿过室体时的电离能量损失服从landau分布，由于这一分布的范围很宽，电荷测量的动态范围不可能覆盖这一能量损失的全部范围。如前所述，与这一分布的峰值相应的最小电离粒子的最可几输出电荷量约100fc，参考BESIIMDC多年来dE/dx测量的结果，BESIIIMDC电荷测量的高端可按1800fc考虑。(3)积分非线性在满量程范围内(15fc-1800fc)，积分非线性可控制在INL2%。必要时可进行二次项非线性修正，以提高线性度。非线性修正的工作可由数据读出机箱的主控制器-PowerPC来完成。1.时间测量(1)时间分辨如前所述，漂移室通过测量漂移时间来确定粒子穿过室体时的径迹。按总体设计要求，径迹测量的定位误差要求达到p=130μm该项误差主要由两部分构成：一部分是室本体单丝空间分辨的贡献dp，该项贡献主要是由电离电子在向阳极丝漂移过程中的扩散效应等所造成。另一部分则是单个通道电子学对位置分辨的贡献ep。若取ep15%p，则有mep20按BESIIIMDC的设计，在所选用的气体和电场条件下，电离电子在室体中的漂移速度为30μm/ns，因此单个电子学通道的时间分辨t上限可取为0.67ns。因此，将时间分辨的设计目标确定为：nst5.0北京正负电子对撞机重大改造工程初步设计上面讨论的电子学的时间分辨实际上源于四部分：①正、负电子束团在Z向（束流方向）展开所造成的对撞时刻的不确定性，从而造成对撞所产生的次级粒子出射时刻的不确定性。按BEPCII的设计，束团在Z向展开的长度z=1.5cm，因此，粒子出射时刻的不确定性为：psccmt3525.11式中c是光速。对于漂移室的时间测量来说，该项误差可以忽略不计。②低阈前沿甄别由于幅度效应所造成的定时误差。漂移室输出信号的动态范围大，估计由此造成的定时误差t2≈1ns。这部分误差在离线分析时可用测得的电荷量进行修正，因此这一误差对时间分辨的影响这里可不予考虑。③噪声在信号上的迭加所造成的定时时刻的晃动。这一噪声主要源于室本体的信号丝和前置放大器以及后续电子学处理电路。由噪声造成的定时时间晃动估计可控制在不大于100ps，对时间分辨的影响基本可忽略不计。④TDC测时误差t3。这是电子学时间分辨的主要来源。利用基于CERNHPTDC芯片设计的时间测量电路，由于芯片本身的测时误差即便是工作在低分辨模式也可以达到250ps左右，因此电子学系统的时间分辨（不计定时误差）取为0.5ns是较为合理的选择。(2)量程时间测量的量程由电离电子在室本体中的漂移时间决定。当粒子击中信号丝，电离电子的漂移时间几乎为0；当粒子从小单元一个顶角的内侧穿过，则有最大漂移时间～350ns（详见下节讨论）。为留有余地，时间测量的量程取为0-400ns。(3)积分非线性在量程范围（0－400ns）内，积分非线性可控制在INL0.5％。必要时可利用PowerPC在数据读出过程中进行二次项非线性修正，以提高线性度。4.10.1.2系统设计考虑设计中的BEPCII将采用多束团运行，对撞周期为8ns，而触发判选系统一级判选所需要的时间（Triggerlatency）为6.4s，远大于对撞周期，因此电子学系统的设计必须采用流水线技术，高速地将每次对撞可能产生的信息进行适时获取和暂存，根据有无触发判选信号到来再决定与之相应的信息的取舍，这样才能不丢失好事例信息。BEPCII的设计亮度将达到1×1033/cm2/s，漂移室又处在谱仪内层，紧靠对撞点，信号丝击中率高，电子学系统所要处理的信息量很大，因此电路设计必须采用多级并行处理，才能有效地减少系统死时间。第四章BESIII探测器16mm16mm图4.10-1MDC一个测量单元的示意图场丝信号丝MDC采用小单元结构。一个测量单元的示意图和单元尺寸如图4.10-1所示。根据MDC的设计参数，电离电子在气体中的漂移速度为3.0cm/μs。漂移距离是一个随机量，取决于正负电子对撞所产生的次级粒子的入射位置。显然，最大漂移距离约为半个对角线的长度，即1/2×（162+162）1/2=11.3mm。不考虑扩散和电场不均匀性的影响，可得电子在室中最大漂移时间为：maxt=11.3mm/3.0cm/μs=377ns考虑到外层单元尺寸略大，并考虑到由于电、磁场的影响，电子的漂移轨迹并非直线，故可取最大漂移时间为：maxt=450ns单个电离电子漂移到阳极丝附近时在强电场的作用下由于雪崩过程而在阳极丝上产生1/t电流波形，可表示为：i(t)=k×110tt式中，k是常数，由漂移室的工作参数决定；t0是室的特征时间常数，根据MDC的设计，t0≈1.5ns。i(t)的波形形状如图4.10-2所示，其后沿的缓慢下降是由于雪崩形成的正离子团向阴极丝的缓慢运动所造成。由上式可知，该电流下降到峰值的1%以下所需时间约250ns。信号丝的实际输出波形，就是由若干这样的单个电离电子所形成的1/t波形的迭加。我们用garfield程序对单丝输出波形进行了仿真，一个典型结果如图4.10-3所示。图中若干电流尖峰正是这种1/t波形相迭加的结果。图4.10-2信号丝单个电离电子输出波形i(t)0T北京正负电子对撞机重大改造工程初步设计实际输出波形的宽度wt与粒子的入射位置有关，观测显示，这一宽度大体上符合下面的关系：wt=250min_max_ddtt(ns)式中，max_dt是径迹中距离阳极丝最远的电离电子的漂移时间，min_dt是距阳极丝最近的电离电子的漂移时间。显然，当径迹穿过一个探测单元的对角线时，如图4.10-4中箭头①所示，这时输出信号有最大宽度：maxwt=400-0+250=650ns这与计算机实际仿真结果相一致。②①16mm16mm图4.10-4径迹穿过漂移单元不同位置时的示意图场丝信号丝图4.10-3BESIIIMDC丝信号仿真一例第四章BESIII探测器当径迹以45倾角从探测单元一个顶角的内侧穿过时，如图4.10-4中箭头②所示，在探测单元内只产生极少量的电离电子，这些电离电子几乎是同时到达阳极丝，这时输出信号有最小宽度：maxwt=400-400+250=250ns显然，穿过任何其它位置的径迹，在信号丝上形成的信号宽度都介于上述两者之间。同时可以看出，在任一t时刻穿过单元中任一位置的径迹，信号丝输出信号的“漂移时间+信号宽度”其值应近似等于上述最大信号宽度，即≈650ns。以上估算假设了电离电子沿径迹有均匀密集的分布。4.10.1.3初步设计方案根据前面的讨论，MDC电子学系统原理性方块图可设计成如图4.10-5所示。从功能上考虑，系统主要由9类电路组成，即：①前置放大电路；②“主放大+滤波成形+定时甄别”电路；③电荷测量电路；④时间测量电路；⑤阈电压电路；⑥JTAG控制电路；⑦校准和工作模式控制电路；⑧扇出电路；⑨读出控制电路。从系统结构上考虑，上述各部分电路如何实现优化组合，这是系统设计需要考虑的重要问题。我们的设计思想力求体现：①有利于简化系统设计。即应尽可能减少部件，减少品种，使庞大、复杂的系统变得比较简单，以易于操作，易于系统建成后的维护运行。②有利于提高系统的可靠性。③有利于节省系统造价。基于以上考虑，我们决定将系统中“后放大+滤波成形+定时甄别”电路、电荷测量电路、时间测量电路和阈电压电路汇集在一起，按9UVME规范统一设计电路板。我们把这一电路板称之为MQT插件。由于电路的复杂性，这一设计方案将具有相当的难度，如何实现预期的性能指标，这在技术上无疑是一次挑战。按照上述设计方案，整个系统的硬件电路,将主要由五部分组成，即：北京正负电子对撞机重大改造工程初步设计①前置放大器；②MQT插件；③校准和工作模式控制插件；④扇出插件；⑤读出控制插件。图4.10-5给出了基于上述设计考虑的系统框图结构。图中读出控制电路和扇出电路未予画出。下面，就上述五部分电路的设计考虑分别讨论如下：1.前置放大器如前所述，粒子穿过漂移室时的能量损失服从朗道（Landau）分布，其低端信号十分微弱（μA量级），因此信号丝的输出信号必需作适当预放大，才能适合后续电路处理的需要。为了减少分布参量的影响，提高信噪比，这一放大应在紧靠丝信号的输出端进行。电路设计要点可概述如下：①由于对同一个丝信号同时要作电荷和时间测量，因此前置放大器必须设计成跨阻型(transimpedancetype)，以保存丝信号前沿所携带的时间信息。带宽可控制在80MHz左右，以对丝信号的上升速率不产生明显影响。②信号丝特性阻抗约390Ω，为避免信号反射，前放的输入阻抗应设计得preampVMEbusTrigger4.10.1.1.1.1.1.1riggerriggerMQTClockTriggerTimingWireSignaldE/dxAQMeasurementTMeasurementCalibrationMainamp.+Shaper+Disc.图4.10-5MDC电子学系统概念图ThresholdVoltage第四章BESIII探测器与之相匹配。③由于MDC采用小单元结构，相邻信号丝间的串扰大大减少，对14mm×14mm小单元所作的仿真结果表明，某击中丝信号在邻丝上的串扰约2%。因此，在测量误差允许的范围内，前放输入端可不设串扰抵消电路。④主漂移室的各信号丝层，特别是其内层，紧靠对撞点，本底很高，电路应考虑低