CEPC高颗粒度数字强子量能器读出电子学系统研究

发布时间：2017-12-22 08:30

  本文关键词：CEPC高颗粒度数字强子量能器读出电子学系统研究　出处：《中国科学技术大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：2012年在LHC 125 GeV的质心能量处发现了 Higgs粒子,使得用轻于对撞机来研究和精确测量Higgs粒子的特性成为了粒子物理领域的一个热点。2013年,在北京由中国物理学家主导成立了一个研究小组旨在研究环形正负电子对撞机(CEPC)做为Higgs/Z工厂以及随后升级成为超级质子-质子对撞机(SPPC)的可行性。精确测量粒子能量要求量能器系统精确测量粒子对撞后沿各个方向形成喷注jet能量。大约72%的jet能量由电磁量能器(ECAL)和强子量能器(HCAL)测量,由于传统的HCAL能量分辨很差导致jet能量的测量精度受限。此外,由CEPC设计指标提出的高对撞能量和亮度,将带来了一系列的问题特别是高堆积事例给量能器带来了重大的挑战。传统量能器特别是HCAL的能量分辨率很差,且空间分辨不足在高事例堆积的背景下无法区分出相邻的事例,使整个量能器系统的分辨率下降,无法胜任CEPC的要求。近年来随着粒子流算的提出,基于粒子流算法的高颗粒度量能器不断发展。做为最早开始研制高颗粒度量能器系统的学术组织,CALICE合作组已经成功为国际直线对撞机(ILC)研制了包括电磁量能器(ECAL)的和强子量能器(HCAL)的几台原理样机。其中,ECAL或者HCAL都具有模拟和数字两种读出方案。国内为CEPC预研的高颗粒量能器研究才刚刚开始,本论文参考CALICE研制的两款数字读出强子量能器(DHCAL、SDHCAL)的经验,以法国Omega小组设计的低功耗、高集成度、多阈值读出的MICROROC为前端电子学芯片,探索CEPC的基于GEM气体探测器的高颗粒度数字强子量能器的读出电子学系统。论文的组织按章节如下:第一章分析了当前粒子物理实验的发展趋势,高对撞能量和高亮度的指标要求对量能器提出抗辐射能力、高能量分辨的要求。指出传统量能器不能满足当前粒子物理实验的要求,基于粒子流算法的高颗粒度量能器是未来量能器的发展方向。在CEPC提出之前ILC探测器在高颗粒度量能器方面积累了很多经验,CEPC探测器可以借鉴ILC的经验,尤其在高颗粒度量能器方面,CALICE合作组为ILC研制了多套高颗粒度的ECAL和HCAL的原理样机。第二章阐述了量能器系统中强子量能器类型和作用,以及高颗粒度强子量能器与传统量能器相比具有区分出带电和中性的强子的优势。这样按照粒子流算法,在jet能量重建的时,HCAL负责测量中性强子的能量。根据CALICE合作组的定义,高颗粒度HCAL的实现方案可分为模拟型(AHCAL)和数字型读出。其中,AHCAL为取样型量能器采用钢板做为吸收体、塑料闪烁体做为灵敏层、SiPM读出,在第一代AHCAL中前端ASIC采用18通道的芯片ILC-SIPM,外置16-bit的ADC进行量化,第二代AHCAL中采用36通道的芯片SPIROC内部集成威尔金森ADC进行量化。数字型强子量能器则根据判选触发阈数量的不同,可分为单阈值读出的DHCAL、和多阈值读出也称半数字化读出的SDHCAL,这两款HCAL都采用了钢板做为吸收体、RPC气体探测器做为灵敏层,通道数约为4×105个通道。其中DHCAL前端ASIC采用64通道单阂值读出的DCAL芯片而SDHCAL前端采用了 64通道三阈值读出的HARDROC芯片。该章节中详细阐述了两种原理样机从前端电子学到后端整个数据获取系统的结构。根据束流实验的结果,在能量高于40 GeV时多阈值读出比单阈值具有明显更好的能量分辨。第三章介绍了 CEPC高颗粒度HCAL的预研方案。模拟型HCAL和数字型HCAL各自具有优缺点,依据颗粒度(通道数)、成本、功耗和一次事例有击中通道所占的比例,CEPC-HCAL选择数字型读出更为实际,为了获得较高的能量分辨,最终选择半数字化方案。吸收体选用钢板,因为钢板价格便宜且具有高机械强度足以建立自支撑结构。灵敏层选择气体探测器,相比其他探测器,它的成本低廉和简单性使得它们对于覆盖大面积探测器的构建更具有吸引力,最终我们选择GEM探测器作为灵敏层,并用1 cm×1 cm的pad阵列读出。在前端ASIC选择方面,我们选择了具有三阈值判选读出适合GEM读出范围的具有最低功耗MICROROC芯片。该芯片具有64通道,多片AISC可用菊花链式连接以减少连接线。数据获取系统结构方面借鉴了 SRS系统架构,相比DHCAL和SDHCAL读出系统更为简单、使用的板卡数量最少并且也可以做为ECAL的数据获取系统,同时还讨论了未来时钟同步方案。最后分析了 CEPC-HCAL的系统需求。第四章介绍了基于MICROROC读出电子学原型设计,在原型设计的第一阶段,该阶段主要由3块主要的电子学板组成:阳极读出板、MICROROC测试板、DIF板。其中阳极读出板探测的有效区域为30 cm×30 cm共900个pad,扣在GEM气体探测器上,信号从阳极板的另一面上的连接器输出到MICROROC测试板上,MICROROC测试板包含4片ASIC以菊花链方式连接,数据采集、控制传输通过DIF板实现。第五章介绍了原型读出电子测试包括信号源测试和探测器联调测试。该章节通过具体的实验,研究前端电子学与GEM探测器连接前后的性能。第六章总结全文,并展望未来工作。
【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】：2017
【分类号】：O572.2

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本文编号：1319114