ATLAS二期升级中内层硅像素径迹探测器数据读出ASIC研发
发布时间：2021-04-06 22:10
ATLAS（AToroidal LHC ApparatuS,超环面实验仪器）是欧洲核子中心（CERN）大型强子对撞机（Large Hadron Collider,LHC）上的四大探测器之一,是世界上最大的通用粒子探测器。它在2012年发现希格斯玻色子以及寻找超越标准模型的粒子物理学理论证据等方面起到了至关重要的作用。内部探测器（Inner Detector）是ATLAS的重要组成部分。在高能物理实验中,粒子碰撞产生高强度的辐照效应会导致电子学系统失效,而常规的商用芯片无法满足实验中的抗辐照需求。特别是在ATLAS二期升级阶段,LHC升级为高亮度LHC（High Luminosity LHC,HL-LHC）,其亮度将提升至7*1034 cm-2s-1。更高的亮度会导致更庞大的数据量以及更严重的辐照伤害。同时,现有的内部探测器将由新的内层硅像素径迹探测器（Inner Track,ITk）所取代。因此,设计高抗辐照、高可靠性和高工作速率的内层径迹探测器数据读出链路是ATLAS二期升级中的重要研究方向。本文的主要研究工作是设计应用于内层径迹探测器读出系统的信号链路方案,并解决其中的关键技术,在...
【文章来源】：华中师范大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：151 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．?１?ＬＨＣ基本结构图??１．２?ＡＴＬＡＳ探测器??
，??—??１?｜??卜＾?專??丫?．?Ｉ?＇?７??／?＞／?＼?、、＞?＼ｖ?ｆｏｒｗａｒｄ?ｃａｌｏｒｉｍｅｔｅｒｓ??Ｖ?．．?？＇?／?／?Ｘ?Ｉ＂?，敝ｃｔｏｒ?＼??＊?＼?－ｙ?Ｔｏｒｏｉｄ?ｍａｇｎｅｔｓ?／?、、ｌＡｒ?ｅｌｅｃｔｒｏ?ｍａｇｎｅｔｉｃ?ｃａｔｏｒｉｍｅｔｅｒｓ??Ｍｕｏｎ?ｃｈａｍｂｅｒ＊?Ｓｏｌｅｎｏｉｄ?ｍａｇｎｅｔ?Ｉ?Ｉｒａｎｓｌｔｉｏｎ?ｒａｄｉａｈｏｎ?ｔｒａｃｋｅｒ??Ｓ？ｍｉｃｏｎｄｕｃＪ〇ｆ?ｈａｃｋｏｒ??图１．２?ＡＴＬＡＳ探测器截面图??由于ＡＴＬＡＳ探测器的结构复杂，通道数众多，碰撞频率高——约２５?ｎｓ发生一次碰??撞，因此会产生难以梳理的海量数据。以内部探测器为例，如图Ｉ．３所示，内部探测器分为??像素探测器［丨丨］、半导体跟踪器和跃迁辐射跟踪器。其中，ＳＣＴ和ＴＲＴ分成柿（Ｂａｒｒｅｌ）端??和帽端（Ｅｎｄ－ｃａｐ）两种不同的形式。在桶形区域，传感器模块围绕着同心圆柱上进行布置，??在端盖区域，这些模块位于垂直于朿流轴的圆盘上。像表探测器位于ＡＴＬＡＳ最中心位置，??包含了三个位于中央的桶形层和位于两端帽端的三个圆盘层。在这些筒形层和圆盘上，总共??有丨７４４个探测模块，其中的１４５６个在桶形层区域，剩Ｆ的２８８个位于帽端区域。每个模块??的面积是２?ｃｍ?＊６?ｃｍ，包含１６块读出芯片和其他的电子元件。模块中的最＇ｊ、读出单元是一??个像素，每个传感模块上共有４７２３２个像素，这些像素以３２８行１４４列的方式排列＾其中的??１２８列（４１９８４个像素或者８８．９％的比例）中的像素面积为５０?Ｕｍ＊?４００?另外１６列??（５２４８个
，共有６２０万个数据读出通道。跃迁辐射跟踪器是内部探测器是最外面??部分，与前两者的探测方式都不同，它是由漂移管（也称麦管）作为探测元件的。麦管直径??为４?ｍｍ，长度分为１４４?ｃｍ?（筒形层部分）和３７?ｃｍ?（端帽部分）两种，ＴＲＴ—共有２９８００条麦??管。因此，如此高密度高集成化的电子学系统对设计者而言将是一个极巨大的挑战。即使??ＡＴＬＡＳ并不是对所有的数据进行采集分析而是使用触发系统来记录测量那些有意义的数??据，其数据量在一年内依然能累积到一千万亿字节，非常可观。??图１．?３?ＡＴＬＡＳ内部探测器截面图??另外，由于粒子碰撞产生大量的辐射，所有的电子器件都暴露于强辐射下。随着ＬＨＣ??升级为ＨＬ－ＬＨＣ［１２］［ｌ３］［１４］，亮度更是高达７＊?Ｈ＾ｃｎｒＶ，更高的亮度意味着更大的辖射量??以及更高的伤害，普通商用芯片根本无法在强辐照下正常工作，所以整个ＡＴＬＡＳ探测器中??的电子学系统都需要进行抗辐照的处理。欧洲核子中心提出了一套专门的抗辐照规则，其目??的在于保证所有的电子元器件在ＬＨＣ期间能够满足１０年的服役期。根据位置的不同，其抗??辐照能力也不一样，总辐照强度范围为０．２?￣?３?ｋＧｙ。??１．３大型强子对撞机升级计划??大型强子对撞机（ＬＨＣ）具有高能量与高亮度等特点，使得探索标准模型之外的新物理??现象以及对己知粒子性质的检测成为可能。整个ＡＴＬＡＳ实验在２０１１至２０１２年间总共收集??了?５．２５?ｆｔｒ１?（７?ＴｅＶ的质心能量）和２１．７?ｆｂ－１?（８?ＴｅＶ的质心能量）的质子－质子碰撞数据。在接??下来的十年里，ＬＨＣ将计划进行一系列的升级，使质子与质子以质心能量为１４?ＴｅＶ
【参考文献】：
期刊论文
[1]直接变频接收机直流失调消除技术[J]. 雷倩倩,陈治明,石寅. 微电子学. 2012(03)
[2]芯片封装技术的发展历程[J]. 鲜飞. 印制电路信息. 2009(06)
[3]比较几种辐照对半导体器件性能的影响[J]. 张建新,刘俊星. 嘉兴学院学报. 2008(06)
[4]芯片封装用电子结构材料的现状与发展[J]. 张臣. 集成电路应用. 2003(05)
博士论文
[1]ATLAS前端读出系统中抗辐照激光驱动ASIC设计[D]. 周威.华中师范大学 2019
[2]ATLAS液氩量能器前端读出系统Phase-Ⅰ升级的光纤数据传输ASIC设计[D]. 李筱婷.华中师范大学 2014
[3]集成电路功耗估计及低功耗设计[D]. 徐勇军.中国科学院研究生院（计算技术研究所） 2006
本文编号：3122242
【文章来源】：华中师范大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：151 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．?１?ＬＨＣ基本结构图??１．２?ＡＴＬＡＳ探测器??
，??—??１?｜??卜＾?專??丫?．?Ｉ?＇?７??／?＞／?＼?、、＞?＼ｖ?ｆｏｒｗａｒｄ?ｃａｌｏｒｉｍｅｔｅｒｓ??Ｖ?．．?？＇?／?／?Ｘ?Ｉ＂?，敝ｃｔｏｒ?＼??＊?＼?－ｙ?Ｔｏｒｏｉｄ?ｍａｇｎｅｔｓ?／?、、ｌＡｒ?ｅｌｅｃｔｒｏ?ｍａｇｎｅｔｉｃ?ｃａｔｏｒｉｍｅｔｅｒｓ??Ｍｕｏｎ?ｃｈａｍｂｅｒ＊?Ｓｏｌｅｎｏｉｄ?ｍａｇｎｅｔ?Ｉ?Ｉｒａｎｓｌｔｉｏｎ?ｒａｄｉａｈｏｎ?ｔｒａｃｋｅｒ??Ｓ？ｍｉｃｏｎｄｕｃＪ〇ｆ?ｈａｃｋｏｒ??图１．２?ＡＴＬＡＳ探测器截面图??由于ＡＴＬＡＳ探测器的结构复杂，通道数众多，碰撞频率高——约２５?ｎｓ发生一次碰??撞，因此会产生难以梳理的海量数据。以内部探测器为例，如图Ｉ．３所示，内部探测器分为??像素探测器［丨丨］、半导体跟踪器和跃迁辐射跟踪器。其中，ＳＣＴ和ＴＲＴ分成柿（Ｂａｒｒｅｌ）端??和帽端（Ｅｎｄ－ｃａｐ）两种不同的形式。在桶形区域，传感器模块围绕着同心圆柱上进行布置，??在端盖区域，这些模块位于垂直于朿流轴的圆盘上。像表探测器位于ＡＴＬＡＳ最中心位置，??包含了三个位于中央的桶形层和位于两端帽端的三个圆盘层。在这些筒形层和圆盘上，总共??有丨７４４个探测模块，其中的１４５６个在桶形层区域，剩Ｆ的２８８个位于帽端区域。每个模块??的面积是２?ｃｍ?＊６?ｃｍ，包含１６块读出芯片和其他的电子元件。模块中的最＇ｊ、读出单元是一??个像素，每个传感模块上共有４７２３２个像素，这些像素以３２８行１４４列的方式排列＾其中的??１２８列（４１９８４个像素或者８８．９％的比例）中的像素面积为５０?Ｕｍ＊?４００?另外１６列??（５２４８个
，共有６２０万个数据读出通道。跃迁辐射跟踪器是内部探测器是最外面??部分，与前两者的探测方式都不同，它是由漂移管（也称麦管）作为探测元件的。麦管直径??为４?ｍｍ，长度分为１４４?ｃｍ?（筒形层部分）和３７?ｃｍ?（端帽部分）两种，ＴＲＴ—共有２９８００条麦??管。因此，如此高密度高集成化的电子学系统对设计者而言将是一个极巨大的挑战。即使??ＡＴＬＡＳ并不是对所有的数据进行采集分析而是使用触发系统来记录测量那些有意义的数??据，其数据量在一年内依然能累积到一千万亿字节，非常可观。??图１．?３?ＡＴＬＡＳ内部探测器截面图??另外，由于粒子碰撞产生大量的辐射，所有的电子器件都暴露于强辐射下。随着ＬＨＣ??升级为ＨＬ－ＬＨＣ［１２］［ｌ３］［１４］，亮度更是高达７＊?Ｈ＾ｃｎｒＶ，更高的亮度意味着更大的辖射量??以及更高的伤害，普通商用芯片根本无法在强辐照下正常工作，所以整个ＡＴＬＡＳ探测器中??的电子学系统都需要进行抗辐照的处理。欧洲核子中心提出了一套专门的抗辐照规则，其目??的在于保证所有的电子元器件在ＬＨＣ期间能够满足１０年的服役期。根据位置的不同，其抗??辐照能力也不一样，总辐照强度范围为０．２?￣?３?ｋＧｙ。??１．３大型强子对撞机升级计划??大型强子对撞机（ＬＨＣ）具有高能量与高亮度等特点，使得探索标准模型之外的新物理??现象以及对己知粒子性质的检测成为可能。整个ＡＴＬＡＳ实验在２０１１至２０１２年间总共收集??了?５．２５?ｆｔｒ１?（７?ＴｅＶ的质心能量）和２１．７?ｆｂ－１?（８?ＴｅＶ的质心能量）的质子－质子碰撞数据。在接??下来的十年里，ＬＨＣ将计划进行一系列的升级，使质子与质子以质心能量为１４?ＴｅＶ
【参考文献】：
期刊论文
[1]直接变频接收机直流失调消除技术[J]. 雷倩倩,陈治明,石寅. 微电子学. 2012(03)
[2]芯片封装技术的发展历程[J]. 鲜飞. 印制电路信息. 2009(06)
[3]比较几种辐照对半导体器件性能的影响[J]. 张建新,刘俊星. 嘉兴学院学报. 2008(06)
[4]芯片封装用电子结构材料的现状与发展[J]. 张臣. 集成电路应用. 2003(05)
博士论文
[1]ATLAS前端读出系统中抗辐照激光驱动ASIC设计[D]. 周威.华中师范大学 2019
[2]ATLAS液氩量能器前端读出系统Phase-Ⅰ升级的光纤数据传输ASIC设计[D]. 李筱婷.华中师范大学 2014
[3]集成电路功耗估计及低功耗设计[D]. 徐勇军.中国科学院研究生院（计算技术研究所） 2006
本文编号：3122242
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