1 / 54

粒子物理实验中的精确时间测量

粒子物理实验中的精确时间测量. 刘树彬 中科院核探测技术与核电子学重点实验室 近代物理系，中国科学技术大学 2010.08.15. 内 容 概 要. 粒子物理实验中精密时间测量的作用. 时间测量的基本概念. 当前的时间 - 数字变换技术. 基于 FPGA 的时间 - 数字变换电路. 内 容 概 要. 粒子物理实验中精密时间测量的作用. 时间测量的基本概念. 当前的时间 - 数字变换技术. 基于 FPGA 的时间 - 数字变换电路. 带电粒子鉴别的粒子飞行时间（ Time of Flight ，简称： TOF ）测量 粒子径迹测量的电离电子漂移时间测量.

kioko
Download Presentation

粒子物理实验中的精确时间测量

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. 粒子物理实验中的精确时间测量 刘树彬 中科院核探测技术与核电子学重点实验室 近代物理系，中国科学技术大学 2010.08.15

  2. 内 容 概 要 粒子物理实验中精密时间测量的作用 时间测量的基本概念 当前的时间-数字变换技术 基于FPGA的时间-数字变换电路

  3. 内 容 概 要 粒子物理实验中精密时间测量的作用 时间测量的基本概念 当前的时间-数字变换技术 基于FPGA的时间-数字变换电路

  4. 带电粒子鉴别的粒子飞行时间（Time of Flight，简称：TOF）测量 粒子径迹测量的电离电子漂移时间测量 加速器物理实验 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

  5. 带电粒子的飞行时间测量 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

  6. 电离电子的漂移时间测量 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

  7. 非加速器物理实验 • 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 • LHAASO: WCDA读出电子学时间测量精度500ps，KM2A读出电子学时间测量精度1ns • Daya Bay: WCD读出电子学时间测量精度500ps

  8. 粒子物理实验对时间测量系统的要求 25ps左右 • 测量精度指标 • 时间分辨（Resolution），或者说量化值（LSB）要尽可能小 • 测量精度（Precision），或者说测量不确定性（Uncertainty）要尽可能小 • 动态范围 • 0~数百ns，甚至μs量级 • 死时间 • 双事例分辨目前大约10ns，处理事例率能力约几十MHz • 读出能力 • 快速读出，与VME、PCI等主流总线平台匹配 • 集成度 • 大型实验通常需要几百甚至几十万通道…… • 灵活度 • 时间分辨率模式可选择配置、触发工作模式可选择 • 成本 • 低成本、单片集成度高 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

  9. 内 容 概 要 粒子物理实验中精密时间测量的作用 时间测量的基本概念 当前的时间-数字变换技术 基于FPGA的时间-数字变换电路

  10. Vi1 + Start DISC - Vth TDC Data Vi2 + DISC Stop - Vth CLK 时间测量的组成 • 定时甄别与时间数字转换（TDC） 时间-数字变换 定时甄别 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

  11. 定时甄别电路 • 作用 • 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 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

  12. 双阈甄别的前沿定时 • 高阈（HL）和低阈（LL）甄别器对同一信号进行甄别 • 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 • 只有高于高阈的信号，符合电路才有输出 • 目的： • 利用高阈来剔除噪声和干扰信号，同时又保持低阈甑别的时间信息 VHL Out – D Q + In Delay CLK RST + Delay – VLL Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

  13. 基本的“时间-数字转换”技术 • 按实现手段分类 • 模拟式（TAC+ADC……） • 数字式（计数器型……） • 按测量对象分类 • 起停型（Start-Stop Type）TDC • 时间戳型（Time Stamp Type）TDC • 流水线型（Pipeline）TDC • 事例驱动型（Data Driven）TDC Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

  14. Stop Start Clock Counter Start-stop type Reset Clock Counter Hit Register Time Stamp type 起停型和时间戳型TDC Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

  15. 流水线型和数据驱动型TDC Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

  16. TAC时间测量（起停型） • 较小的死时间 • 取决于ADC转换时间 • 可达到较高分辨率 • 目前LSB：1ps~20ps • 容易受环境温度和外界干扰影响 • 影响时间测量精度的主要因素：恒流源的稳定性、充电电容的线性、电路噪声（特别是积分环节上的噪声），及后续ADC电路的特性 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

  17. Wilkinson型TDC（双斜率型TDC） 1. 变换时间长 2. 需要高频, 高精度时钟 3. 时间分辨不高 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

  18. 直接时间数字变换（计数器型） • 易于实现 • 异步计数器同步计数器格雷码计数器 • 容易得到大的动态范围 • 增加一个触发器即扩大一倍动态范围 • 精度不易提高 • 1GHz时钟频率LSB=1ns • 与信号异步，最大误差±LSB • 提高精度方法： • 多次测量求平均提高精度（precision） • 时钟分相提高分辨（resolution）——时间内插 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

  19. 游标尺型时间内插TDC • 第一种数字式提高时间测量精度的方法 • 可算做数字的时间放大 • 两个门控振荡器产生频率略微不同的两个时钟信号，T1略大于T2 • T1－T2＝τ • 特点：时间分辨高、动态范围较小 • 技术关键 • 频率稳定，且周期相差很小的两个时钟信号

  20. “粗”、“细”结合的时间测量——时间内插 • 单纯使用以上几种方法的某一种，都难以满足当前粒子物理实验所需要的高精度时间分辨、大尺度测量范围，大尺度通道数，低成本等综合性能要求 • 主流的解决方案是所谓的“粗”计数（Coarse Counting）+“细”时间测量（Fine Measurement）组合 • “粗”计数一般由高性能的Gray码计数器实现 • 即数字计数器型TDC • 时钟频率一般在数百兆赫兹，实现几个ns的时间分辨 • “细”时间测量的实现则依靠时间内插技术（Time Interpolation） • 在一个时钟周期内进行时间内插，达到亚纳秒（100 ps ~ 10ps）的时间分辨 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

  21. Enable 时钟相位延迟内插技术 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

  22. 时钟相位延迟内插技术 • 记录下当hit信号到来时，时钟信号在延迟线上传输的位置，即时间延时信息，这就相当于将“粗”时间计数的时钟周期细分了2n个等分 • 该信息经译码电路译码后输出，作为时间数据最低的n位数据，实现了细时间分辨的内插测量 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

  23. 各种时间内插技术（1）  CMOS门电路延迟线  锁相环（Phase Locked Loop，PLL）技术  两个反向器构成一个延迟单元  电路简单，占用较少的资源  功耗小  延迟时间易受电压和温度变化 影响  利用PLL反馈机制来稳定门电路延迟时间  电路简单，占用较少的资源  功耗小  延迟时间精度高, 取决于门电路的延迟时 间tpd Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

  24. TM略大于t N 各种时间内插技术（2）  DLL阵列技术  延迟锁定环（Delay Locked Loop，DLL）  类似于PLL，利用反馈机制来稳定门电路延迟时间  电路简单，占用较少的资源  功耗小  与PLL不同，无频率变化  延迟时间精度高, 取决于门电路的延迟时间tpd M+1个DLL电路  右边M个组成一个DLL阵列: tM  左边竖排相位偏移DLL: tN 时间分辨高 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

  25. 各种时间内插技术（3）  数字游标卡尺法  无源RC延迟线 (hit) (clk)  两个延迟链 上方的单元延迟时间为1 下方的单元延迟时间为2 1略大于2  时间分辨高 tR =1- 2  延迟链可由DLL构成  时间分辨高 TR = TRef / MN  电路简单，容易集成，没有功耗  一致性较差，需要修正 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

  26. 内 容 概 要 粒子物理实验中精密时间测量的作用 时间测量的基本概念 当前的时间-数字变换技术 基于FPGA的时间-数字变换电路

  27. 时钟系统 外触发信号 clock 触发逻辑 环行计数器 N位计数器输出 待测信号 触发FIFO阵列 事例寄存器阵列 数据选择 数据FIFO阵列 读出寄存器 N位时间数据 特点 • 典型芯片 • HPTDC（CERN） • TDC-GP系列（ACAM） • …… • 单片集成 • 时间戳型（Time Stamp） • “粗” + “细”计数（时间内插）结合 • 数据驱动（触发事例匹配） • 多种测量精度模式 • 多次击中能力 • 几乎无死时间

  28. HTPDC简介 • Number of channels: 32 / 8 • Clock frequency: 40 MHz (external) 40MHz / 80MHz / 160 MHz / 320 MHz (internal) • Resolution: 781 ps ( 261ps RMS) low resolution mode 195 ps ( 64 ps RMS) medium resolution mode 98 ps ( 48 ps RMS) high resolution mode 24 ps( 40 ps RMS) very high resolution mode (8 channels) 24 ps( 17 ps RMS Corrected) • Dynamic range: 102 us • Double pulse resolution: 5 - 10 ns depending on mode • Hit rate: Core logic at 40 MHz, Not R-C mode Max. 2 MHz per channel, all 32 channels used Max. 4 MHz per channel, 16 channels used. • Event buffer size: 4 x 256 • Read-out buffer size: 256 • Trigger buffer size: 16 • Power consumption: 300mW - 1500 mW depending on modes. • Hit inputs: LVDS or LVTTL Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

  29. HPTDC内部结构 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

  30. HPTDC在粒子物理实验中的应用 BES III TOF读出电子学系统和Monitor控制/读出 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

  31. TOF前端电子学 • VME 9U 插件 • 双阈甄别的前沿定时 • 16 通道/插件 • 时间测量需2片HPTDC • 非门控积分的QTC • 使用1片HPTDC进行16通道的电荷测量

  32. 时间“精度”的测量 • 线延迟测量法 • 传统起-停型TDC • 时间戳型TDC Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

  33. Res. of single chn: 17ps TOF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) 49–53 Shubin Liu, Changqing Feng, Qi An, etc.IEEE TNS, VOL.57, NO.2(2010),419-427 Changqing Feng, Shubin Liu, Qi An, etc.IEEE TNS, VOL.57, NO.2(2010), 463-466 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

  34. TOT (Time Over Threshold) • 输出信号同时包含了时间和电荷信息 • 脉冲前沿直接高速甄别，代表粒子到达信息 • 经积分成型或放大等处理后的后沿代表电荷信息 • 优点 • 无须ADC等，节省功耗 • 前端电子学输出即为数字信号，节省昂贵的模拟电缆 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

  35. TOT应用（1） • 应用范例： • ALICE@LHC • STAR@RHIC • TOF upgrade of BES III • …… Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

  36. TOT应用（2） • QTC for Super-K • 可能的应用——LHAASO之WCDA读出电子学？ Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

  37. TOT应用（3） • 其他 • SFE16 • 将应用于兰州重离子加速器改造冷储存环外靶实验 • Milagro实验WCDA读出电子学中的TOT Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

  38. BES III TOF读出电子学的电荷测量 • 非门控积分的QTC • 没有门控积分的开关噪声 • 不需要门控积分的模拟延迟，降低系统复杂度 • 性能 • 动态范围30-927pC • 相当于180mV~ >5V的PMT（R5942）信号 • 有效位~10bit • 相当于10mV (R5924) S.B. Liu, C.Q. Feng, L.F. Kang, etc.NIM A 621 (2010) 513–518 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

  39. 内 容 概 要 粒子物理实验中精密时间测量的作用 时间测量的基本概念 当前的时间-数字变换技术 基于FPGA的时间-数字变换电路

  40. 为什么要TDC@FPGA？ • 目前国际上的TDC芯片：ASIC设计 • HPTDC等性能、性价比都很好，但不允许用于基础物理研究之外 • 国内状况 • ASIC TDC设计技术上还不够成熟 • 研制TDC ASIC芯片的费用比较高 • FPGA在数字电子学设计中运用越来越广泛，性能越来越高，价格越来越低 • 事实上，国外对基于FPGA的TDC研究也很广泛 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

  41. 利用游标尺时间内插中实现的200ps TDC QuickLogic FPGA Jozef Kalisz, Ryszard Szplet, Jerzy Pasierbinski, etc. IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT, VOL.46, NO.1(1997), 51-55 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

  42. 如何在FPGA中实现TDC？ • 利用游标尺型时间内插 • 双延迟链游标尺（起停型） • 双刻度游标尺（时间戳型） • 利用延迟线抽头时间内插 • 时钟相位延迟内插 • 输入信号延迟内插 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

  43. 关键的技术难题： 如何实现时间内插？

  44. 专用进位连线资源——Altera Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

  45. 专用进位连线资源——Xilinx Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

  46. TDC@FPGA结构 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

  47. 基于VME的FPGA TDC验证插件 Xilinx Altera Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

  48. TDC@FPGA的精度 RMS<10ps! Wu Jinyuan, 2009 16th IEEE-NPSS Real Time Conference • 2006年，我们在FPGA中实现好于100ps的测量精度 Jian Song, Qi An, Shubin Liu, IEEE TNS, VOL.53, NO.1(2006), 236-241 • 2009年，通过校准、非线性修正等手段， 实现LSB<50ps, RMS<25ps的测量精度 Jinhong Wang, Shubin Liu, Qi An,IEEE TNS, VOL.57, NO.2(2010), 446-450 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

  49. TDC@FPGA的特点 • 灵活 • 功能灵活 • 通道数灵活 • 精度灵活 • 测量范围灵活 • 接口灵活 • 高精度、低成本和高性价比 • 拥有完全的自主知识产权 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

  50. FPGA内延迟链长度不够？ 双相/多相时钟采样内插 Liu Shubin, WANG Jinhong, CHEN Kai, etc. Proceedings of ICEMI 2009, pp 1/585-9 Key Laboratory of Technologies of Particle Detection & Electronics, CAS

More Related