HIRFL-CSR外靶实验的数据传输和触发判选研究

发布时间：2020-05-06 22:10

【摘要】：随着大型重离子加速器的兴建和粒子探测技术的迅速发展,重离子物理发展成为原子核物理的一个重要领域。重离子物理的发展离不开重离子加速器,目前,国内外已经完成建造或正在建造各种重离子加速器科学装置。为使我国重离子物理研究在国际上占有一席之地,我国自行设计并建设了兰州重离子加速器(HIRFL, Heavy Ion Research Facility at Lanzhou)。兰州重离子加速器系统及其冷却储存环(HIRFL-CSR)外靶实验探测装置包括：起始时间探测器,靶区γ探测器,大接收度二极磁铁,若干个多丝漂移室(MWDC, Multi Wire Drift Chamber),3个飞行时间(TOF, Time Of Flight)墙探测器和大型中子墙探测器。各种探测器分布在实验大厅不同位置,其测量目标不同、输出信号具有不同的特性,各前端电子学测量模块采用不同的设计方案,整个电子学系统具有分布式的特点。 CSR外靶实验中,各探测器探测到的信息中,除了有用的次级粒子外,还包括很多无用粒子,并且探测器及其电子学中存在噪声。为了剔除这些无效信息和本底噪声,将研究一个专门的触发判选系统,根据有效事例次级粒子间的时间和逻辑关系,产生总触发信号反馈至前端电子学测量模块中,用于感兴趣事例数据的读出。为了对实验反应进行分析,需要一个数据获取系统将各个测量模块的读出数据汇总到一起,组装成完整的事例。本论文研究过程中,对国际上一些大型物理实验的触发判选系统和数据获取系统进行了调研,再结合CSR外靶实验本身的特点——探测器种类多、分布在实验大厅的各个地方、电子学通道数目庞大等,研究了适合本实验的数据传输和触发判选系统。 CSR外靶实验中,数据传输采用多节点的事例重组。前端电子学测量模块基于PXI6U标准设计,测量数据在测量模块内部经过缓存和处理,进行初级事例组装：使用基于数据重传、定时启动的突发传输,将数据汇总至PXI机箱控制器中,完成事例次级组装；然后通过以太网络将数据发送至数据获取系统DAQ刀片处理器中进行最终数据组装。整个过程中,保证传输的稳定性、数据的正确性和完整性,最终得到有效的完整事例。触发判选系统采用层次化的触发判选机制,在前端电子学测量模块中完成有效击中信息的提取,送至PXI机箱中星形触发槽的子触发判选模块,对有效击中信息进行判选,产生子触发信息；然后将所有子触发信息汇总到总触发模块,由总触发模块完成最终的触发判选,产生总触发信号反馈至子触发模块,再通过星形触发线扇出至测量模块中,用于有效数据读出。为了实现远距离,总触发模块与子触发模块间采用光纤传输触发信息,同时隔离了各机箱间的电气连接。采用FPGA来完成核心触发判选算法,实现触发系统的可重构性,提高系统的灵活性。目前仅根据当前实验需要实现了相应算法,以后的实验中可能需要更多更复杂的算法,在不修改硬件的前提下更新FPGA逻辑即可实现,系统的升级得到保障。基于上述方案,完成了数据传输和触发判选电子学硬件设计及其算法实现,并进行实验室电子学性能的测试。首先对光纤传输性能进行了测试,包括眼图测试和误码率测试；然后对各级触发功能进行了测试。触发判选功能得到验证后,与前端电子学测量模块一起组建完整电子学平台,进行了数据传输的测试。测试结果表明,数据传输稳定,得到的数据完整、正确；触发功能满足当前实验的需求。在论文的最后,总结了CSR外靶实验数据传输和触发判选的相关研究工作,展望下一步的工作。并针对今后实验的需求,提出了可能的升级方案。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TL56

【参考文献】