近代信息处理（第二十讲）时间测量方法（4）刘树彬 2011.05.042011-05-04中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬 2时间测量技术在物理实验中的使用n高精度时间测量n幅度/电荷测量qVTC+TDCq波形采集qQTC+TDCqTOTqHPTDC在粒子物理实验中的应用TOF读读出电电子学系统统和Monitor控制/读读出BES III2011-05-043中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬 2011-05-04中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬 4TOF Readout System Architecturen352 barrel preamplifiers, 16 endcap preamplifier board with 6 channels in groupnTwo VME 64xP Cratesq14 FEE Modulesq14 FEE_Rear Modulesq1 Fast_Control Moduleq1 Clock Moduleq1 Power PC controller cardq1 TOF Monitor Module located in only 1 crate2011-05-04中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬 5Barrel & EndCap Preampilifer2011-05-046Barrel TOF FEEnVME 9U cardn16 channels/modulenDual disc. with leading time measurementnNon-gated QTC for charge measurement nMean timer process for fast trigger information中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬 定时甄别电路n作用q确定代表某事例发生的信号出现的精确时刻，或者说将一个物理事例的 模拟信号转换为一个具有时间信息的数字逻辑信号常见形式前沿定时 -采用高速比较器，将输入信号与一个预置的阈值进行比较， 以比较器输出信号的前沿作为信号出现的时刻 -电路简单，定时精确，但存在着“幅度-时间游动”效应（Time Walk）过零定时和恒比定时 -电路比较复杂，不利于大规模的粒子物理实验应用，一般多 用于较小规模的核物理实验2011-05-047中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬 双阈甄别的前沿定时n高阈（HL）和低阈（LL）甄别 器对同一信号进行甄别q低阈甄别器输出信号经过适当 延迟后与高阈甄别器的输出信 号符合q只有高于高阈的信号，符合电 路才有输出n目的：q利用高阈来剔除噪声和干扰信 号q同时又保持低阈甄别的时间信 息2011-05-048中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬 2011-05-04中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬 9Principal Scheme of the Non-gated QTCnConsists of a bipolarty-to-unipolarity OPAMP, a constant current source, an integrator, and a discriminator with adjustable thresholdnSimilar to the gated integrator & discharger but differs from the latter for qAlways discharge with constant currentqAbsence of analogous switching elements2011-05-04中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬 10Timing Diagram of Non-gated QTCS.B. Liu, C.Q. Feng, L.F. Kang, etc. NIM A 621 (2010) 5135182011-05-0411Endcap TOF FEEnSimilar to the barrel onenNo need for mean timerThe difference中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬 2011-05-04中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬 12HPTDC在BES III TOF Monitor应用 4路EPL.1S(PMT经放大)输入通道（其中两个备份） 2路EPL.0S(LVDS)输出（Monitor模式下替代触发L1） 1路EPL.0S(LVDS)输入（时钟） 8路EPL.00(TTL)输出通道（实用6路，其余备份） 4路EPL.00(TTL)输入、2路双向通道（备用）2011-05-04中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬 13TOF读出电子学在BES III中的安装安 装 检 测 探测器电缆安装后测 试 及 老 化2011-05-04中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬 14Time Precision of FEEn“Cable Delay Test” is constructednHistogram the time difference of pulse pairs with a fixed delaynThe overall time resolution is 23.84ps, which means the precision of single channel is 16.86ps qIncluding the contribution of preamplifiers, long cables, FEE, etc. Res. of single chn: 17psTOF前端电子学的时间测量精度LIU Shubin, FENG Changqing, YAN Han, etc. Nuclear Science and Techniques 21 (2010) 4953Shubin Liu, Changqing Feng, Qi An, etc. IEEE TNS, VOL.57, NO.2(2010), 419-427Changqing Feng, Shubin Liu, Qi An, etc. IEEE TNS, VOL.57, NO.2(2010), 463-4662011-05-0415中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬 2011-05-04中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬 16Charge Measurement of FEEnA TEK3251 acts as the signal sourceqOutput the stimulating signal waveforms according to the PMT pulse templatenAmplitude increases with the step of 20mVnDynamic range covers from 180mV to 5V (after preamplifier), with the maximum relative methodical error less than 0.3% TOT (Time Over Threshold)n输出信号同时包含了时间和电荷 信息q脉冲前沿直接高速甄别，代表粒 子到达信息q经积分成型或放大等处理后的后 沿代表电荷信息n优点q无须ADC等，节省功耗q前端电子学输出即为数字信号， 节省昂贵的模拟电缆2011-05-0417中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬 TOT应用（1）n应用范例：qALICELHCqSTARRHICqTOF upgrade of BES IIIq2011-05-0418中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬 2011-05-04中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬 19NINO in ALICE TOFBlock diagram of one TRM module with 192 channels2011-05-04中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬 20NINO in STAR TOFThe top-level diagram of the TOF electronicsThe MRPC digitization board “TDIG”2011-05-04中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬 21BES III端盖TOF升级方案n前放（NINO）位于探测器q每侧端盖36个MRPCq前放模块负责一个MRPC模块的24路 输出n数字化插件（TDIG）位于后端q每个TDIG负责72路NINO的前、后沿 时间测量n需要9片HPTDCq符合产生击中信息送TOF Trigger插件n需要相应后插模块和并串转换及电光 转换插件接口至目前的TOF Trigger插 件q总共需要24个TDIG插件n大量NINO输出需要经过长电缆 传输BES III端盖TOF升级方案2011-05-04中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬 22TOT应用（2）n其他qSFE16n将应用于兰州重离子加速器改造冷储存环外靶实验qMilagro实验WCDA读出电子学中的TOT2011-05-0423中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬 TOT应用（3）QTC for Super-K可能的应用LHAASO之WCDA读出电子学？2011-05-0424中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬 LHAASO Projectn根据探测器阵列所探测粒子 的相对到达时间重建宇宙线 大气簇射前锋面和入射角度qWCDA读出电子学时间测量 精度500ps，KM2A读出电子 学时间测量精度1ns2011-05-0425中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬 2011-05-04中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬 26Water Cherenkov DetectornSensitive to cosmic gamma raysqMaintaining the all-sky, high-duty-factor capabilities of an EAS arrayn4 ponds each with the area of 2.25x104m2qEach will be filled with purified waterq900 PMTs will be deployed under the water of each pondnFor a total of 3600 PMTs and corresponding readout electronicsnHamamatus R5912 employed in Daya Bay experiment is the candidate type2011-05-04中国科学技术大学 快电子实验室 刘树彬 27The Requirement of ElectronicsnDigitalizing the accurate arrival time of the selected showersqBoth the timing and pulse height of each PMT is importantn0.5ns time resolution for leading edge time measurementnA wide dynamic range of 14000 PEs for pulse height measurementqA trigger decision must be made to select showersqClock and calibration systems are essentialnDistributing the large number of signals over