BESⅢ觸發(fā)快控制系統(tǒng)的研制.pdf

1、為了進(jìn)行更精確的()-粲物理實(shí)驗(yàn)研究——3-4GeV能區(qū)精確測(cè)量和研究J/ψ和ψ’能區(qū)內(nèi)的稀有衰變，并確保中國(guó)的高能物理實(shí)驗(yàn)裝置在這個(gè)能區(qū)繼續(xù)保持國(guó)際領(lǐng)先地位，科學(xué)家們?cè)趶V泛聽取國(guó)內(nèi)外專家意見的基礎(chǔ)上，將對(duì)北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)和北京譜儀進(jìn)行重大升級(jí)改造。改建任務(wù)是在對(duì)撞機(jī)現(xiàn)有隧道內(nèi)新建一個(gè)儲(chǔ)存環(huán)，采用多束團(tuán)、大交叉角對(duì)撞方式，亮度將提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，建成后的北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)(BEPCⅡ)成為當(dāng)前國(guó)際上最先進(jìn)的雙環(huán)對(duì)撞機(jī)。升級(jí)后的探測(cè)器-北

2、京譜儀Ⅲ(BESⅢ)將大幅度提高探測(cè)器的分辨率和粒子識(shí)別能力，減少系統(tǒng)誤差，以與BEPCⅡ的高亮度提供的高統(tǒng)計(jì)精度相匹配。 本論文主要研究目標(biāo)是研制BESⅢ觸發(fā)快控制系統(tǒng)(FCS)，它是BESⅢ觸發(fā)系統(tǒng)的重要組成部分，也是整個(gè)譜儀的關(guān)鍵控制部分。它控制著探測(cè)器讀出電子學(xué)系統(tǒng)與觸發(fā)系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行，使數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)記錄有效事例數(shù)據(jù)。本文作者在高能所觸發(fā)組的指導(dǎo)下，在充分調(diào)研與分析國(guó)際上同類裝置的快控制系統(tǒng)(或觸發(fā)定時(shí)系統(tǒng))的基礎(chǔ)上，結(jié)合

3、BESⅢ實(shí)際需要與目前的先進(jìn)電子技術(shù)，設(shè)計(jì)了觸發(fā)快控制系統(tǒng)，同時(shí)對(duì)相關(guān)問題作了仔細(xì)研究。 本論文前兩章首先闡述了國(guó)際高能物理實(shí)驗(yàn)裝置電子技術(shù)的特點(diǎn)與發(fā)展，列出了本文的具體研究目標(biāo)。介紹了北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)和北京譜儀的升級(jí)改造規(guī)劃，包括各子探測(cè)器的功能設(shè)計(jì)和期望達(dá)到的指標(biāo)。分析了國(guó)際上同類裝置——BaBar粒子探測(cè)器和正在建設(shè)的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC的快控制系統(tǒng)，它們的設(shè)計(jì)給BESⅢ的快控制系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和信號(hào)設(shè)置帶來很多可借鑒

4、之處。 在介紹BESⅢ觸發(fā)快控制系統(tǒng)之前，本文首先對(duì)其要使用的光纖高速串行傳輸技術(shù)所進(jìn)行的詳細(xì)研究予與介紹。此技術(shù)用在BESⅢ中，關(guān)心的問題有：傳輸誤碼率，線路抗干擾性，錯(cuò)誤報(bào)告及同步恢復(fù)，延時(shí)離散度，相位穩(wěn)定性和輻照損傷特性等。本文選用TI的TLK1501作為串并轉(zhuǎn)換器，Agilent的HFBR-5921L作為光收發(fā)器組成了一套完整的測(cè)試環(huán)境，對(duì)以上問題進(jìn)行詳細(xì)研究，得出了此傳輸線路特性的完整資料；同時(shí)針對(duì)一些問題提出了同步自

5、動(dòng)恢復(fù)方法，延遲晃動(dòng)消除方法等解決方案，為光纖串行傳輸技術(shù)在FCS中的正確應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。同時(shí)，還介紹了適用于高能物理裝置使用的其它串并轉(zhuǎn)換芯片如Agilent103xA，CERNGol等，并測(cè)試了它們的部分性能，比較了各種組合的優(yōu)缺點(diǎn)。 BESⅢ觸發(fā)快控制系統(tǒng)的主要任務(wù)一方面是將觸發(fā)系統(tǒng)的快控制信號(hào)通過光纖或差分電纜下傳到子探測(cè)器電子學(xué)系統(tǒng)和觸發(fā)系統(tǒng)；另一方面收集子探測(cè)器電子學(xué)和觸發(fā)系統(tǒng)上傳的讀出狀態(tài)信號(hào)并進(jìn)行處理；同時(shí)扇出B

6、ESⅢ時(shí)鐘系統(tǒng)給出的與束團(tuán)同步的41.65MHz系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)。本文詳細(xì)介紹了觸發(fā)快控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和各個(gè)插件的功能。對(duì)作者的主要研制對(duì)象，也是FCS的核心——快控制主板進(jìn)行了詳細(xì)描述，包括電路設(shè)計(jì)、器件選擇、FPGA內(nèi)部的邏輯設(shè)計(jì)以及它與快控制子板的連接等。最后對(duì)快控制系統(tǒng)的小系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果進(jìn)行了介紹。 為了保證時(shí)鐘系統(tǒng)的時(shí)鐘與束團(tuán)同步，作者研究了時(shí)鐘同步信號(hào)產(chǎn)生方案，提出了兩種方法：利用Pickup電極感應(yīng)信號(hào)來產(chǎn)生和直接利用加速

7、器的旋轉(zhuǎn)頻率信號(hào)的方法。作者用全高速電路設(shè)計(jì)了從Pickup電極感應(yīng)信號(hào)中提取出同步信號(hào)的方法，保留了信號(hào)的快速特性，，為保證系統(tǒng)時(shí)鐘的準(zhǔn)確同步提供了可能。同時(shí)介紹了第二種方法的實(shí)現(xiàn)方案，為時(shí)鐘系統(tǒng)的最終設(shè)計(jì)提供參考。 本論文的意義和創(chuàng)新之處： 1.本文研究?jī)?nèi)容屬于北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)(BEPCⅡ)重大改造工程項(xiàng)目，是北京譜儀Ⅲ(BESⅢ)的關(guān)鍵部分之一。此譜儀是國(guó)內(nèi)唯一的大型粒子探測(cè)器。建成后，將是國(guó)際高能物理界C能區(qū)上

8、性能最好的探測(cè)器，預(yù)期將能在()-粲物理前沿課題取得多項(xiàng)具有世界領(lǐng)先水平的重大物理成果。 2.在廣泛的調(diào)研基礎(chǔ)上，比較了世界上同類大型譜儀或?qū)ψ矙C(jī)的快控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，如BaBar，CleoⅢ，Belle和正在建設(shè)的LHC等。并結(jié)合BESⅢ的實(shí)際需要，在VME總線基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出一套功能完善，靈活，可靠的快控制系統(tǒng)。它具有豐富的快控制信號(hào)定義，多種讀出狀態(tài)處理方式和精確穩(wěn)定的時(shí)鐘扇出能力。 3.與各電子學(xué)的信號(hào)連接采用光纖，從

9、而避免了各個(gè)探測(cè)器電子學(xué)之間的在觸發(fā)系統(tǒng)形成共地干擾，同時(shí)，在光纖基礎(chǔ)上引入高速串行技術(shù)，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捙c可靠性，減少了信號(hào)線數(shù)目，延長(zhǎng)了傳輸距離。針對(duì)BESⅢ的實(shí)際應(yīng)用，還研究了串行傳輸?shù)耐交謴?fù)，延遲一致性問題，并提出解決方法，為快控制主板設(shè)計(jì)了觸發(fā)端初始化及檢測(cè)雙工光纖鏈路方法。同時(shí)，對(duì)光纖傳輸鏈路在輻照條件下的使用情況也要作了理論和實(shí)驗(yàn)上的研究。為光纖高速串行傳輸技術(shù)在BESⅢ和高能物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。 4