当代核物理实验发展趋向 CERN ATLAS探测器升级

当代核物理实验发展趋向 ATLAS探测到Higgs粒子

当代核物理实验发展趋向 LHC 加速器升级

当代核物理实验发展趋向 ATLAS Muon谱仪

当代核物理实验发展趋向 ATLAS Muon谱仪升级

当代核物理实验发展趋向 ATLAS NSW端盖触发系统升级

当代核物理实验发展趋向 实验规模大、粒子能量高 探测单元数量大、类型多和体积规模庞大 实验自动化程度越来越高 实验精度很高 在线与离线处理形成一个整体 事例/本底比越来越小

当代核物理实验中电子学数据获取和在线处理系统的特点 当代核物理实验特点 信息量大，通道数多:原始信息量达到10GB/s，通道数为107 事例输入率高:事例之间的间隔小到25ns，频度达到40MHz 精度高 电子学和在线处理系统的特点 规模庞大，结构复杂，技术先进 综合了近代电子技术，计算机科学和信息科学最先进成就

核电子学的特点 是电子学和计算机技术与实验物理学的交叉学科 处理信号的对象是电脉冲 电脉冲在时间上和幅度上是随机变化的 测量精度高 时间、幅度、位置 信息量大 探测系统由成千上万个探测单元组成 一个事例可能需要包含全部探测信息 测量时间长 有时需要连续运行3-6个月 测量条件恶劣 强辐射、强磁场、高温、高压

核电子学的基本技术 一般的电子技术 专门的技术 随机信号处理技术 快电子学技术 实时技术 总线技术 成像技术 网络技术 离线处理技术 ...

随机信号处理技术 脉冲幅度分析 噪声处理 时间分析 计数测量 粒子分辨 触发判选 模拟信号的成形、放大，模数变换，数据采集 针对探测器输出信号特点，提高信噪比 时间分析 时间测量、定时分析、符合测量 计数测量 随机脉冲频率 粒子分辨 利用脉冲形状、时间信息、飞行轨迹等 触发判选 从噪声和本底信息中提取有效的事例信息

快电子学技术 由于核衰变的寿命非常短只有几十ns或ps量级，对撞的周期也越来越短，要准确捕捉这类事例，要求电子学能达到此量级，也称为纳秒或亚纳秒电子学

实时技术 实时了解测量结果和实验运行状态 如何从大量的实验数据中，实时选出代表性的数据 如何快速处理和显示这些数据 如何根据数据来主动干预实验 其他的实时处理技术，如压缩、判选、存储...

总线技术 核电子学中常用总线： NIM（60年代） CAMAC（70年代） Fast Bus（80年代） VME、VXI （90年代） GPIB PCI、PXI USB ATCA ...

成像技术 径迹重建 事例重建 图像重建 通过径迹室，如核乳胶、固体径迹探测器等，测量粒子飞行方向、动量等 断层扫描技术（CT）：利用X射线照射人体，通过测量不同组织或器官的灰阶影像对比分布，进而以病灶的相对位置、形状、大小等改变来判断病情 正电子发射断层成像（PET）：通过测量示踪剂在体内产生的湮没光子，显示出靶器官的断层图像并给出定量的生理参数

网络技术 除军方外，网络技术在民间的首次应用是在高能物理界： 局域网技术： 网格计算： CERN、FERMILAB、KEK、BROCKHEAVEN等 局域网技术： 为提高数据的处理能力，大型加速器的探测器系统需要成千上万个CPU参与运算 网格计算： 将分布的计算机组织起来，协同解决复杂的科学和工程计算问题哦 网格能充分吸纳各种计算资源，并将其转化为可靠、标准的计算能力

离线技术 数据处理 专家决策 系统模拟 ... 总之：核电子学是一门交叉学科，当一种新的技术出现时，往往很快就被应用到核电子学领域。核电子学的发展，一直跟踪着最先进的电子技术和计算机技术。

核电子学系统的组成 一个核电子学系统大体可以分成以下几部分 电信号模拟调理电路：包括前置放大器、主放大器等。 事例选择电路：包括符合电路和触发判选电路等。 模数转换器：包括幅度-数字变换器（ADC）、时间数字变换器（TDC）、位置数字编码等。 数据获取：包括专用硬件数据获取系统（如多道分析器）和基于计算机的数据获取系统。

核电子学系统的基本结构

核电子学系统的基本结构 前端电子学 触发系统 数据获取系统 实现滤波、成形处理、信号放大等功能 一次作用产生一个结果，其结果的信息集合称为一个事例 触发判选系统对原始事例进行甄别，产生事例的选通 判选原则：必须与作用时间相关联、不丢失好事例、尽可能剔除本底事例、尽可能减少死时间 一般采用多级触发判选 数据获取系统 将前端电路各部分信息按一定格式收集,组成事例信息集合 对事例进行预处理 对事例进行进一步判选,并记录在永久媒体中 实验的在线监测和检测

核仪器系统的标准化 NIM系统（Nuclear Instrument Modules） 1964年提出 机械尺寸和供电电源上规定了统一标准 规定了逻辑信号电平

NIM的机械标准 机箱：19英寸宽 12个单位宽度的插槽，每个单位宽度插槽宽度34.4mm 一个电路单元可装配在单宽或多宽插件中 每个插件用42线标准插座与机箱后面板连接

NIM的电平标准 供电电源：±24V，±12V，±6V NIM慢正逻辑电平 NIM快负逻辑电平（50欧姆负载时） 逻辑 输出电压电平 输入电压电平 1 +4 ~ +12V +3 ~ +12V +4 ~ -2V +1.5 ~ -2V 逻辑 输出 输入 1 -14 ~ -18mA -12 ~ -36mA -1 ~ +1mA -4 ~ +20mA

带数据总线的标准系统 CAMAC系统（Computer Automated Measurement And Control） 1975年被推荐 不仅在机械结构、供电电源、逻辑电平等方面作了统一规定 还规范了与计算机连接的总线结构 Fast Bus 70年代末提出 速度上比CAMAC快一个量级 引入了分布式处理的概念 用于信息量大、在线分析要求复杂的粒子物理实验

通用标准总线与核科学领域结合 VME总线（VersaModule Eurocard） 结合了Motoral公司Versa总线的电器标准和欧洲Eurocard标准的机械形状 机械结构大小分为3种型号：3U、6U、9U 总线分类：数据传输总线、数据传输仲裁总线、优先中断总线、通用总线 信号模式：TTL电平信号 VXI总线（VME bus Extensions for Instrummentation）

通用标准总线与核科学领域结合 PCI总线（Peripheral Component Interconnect） CompactPCI总线 1993年Intel公司提出 高速性、即插即用性、可靠性、扩展性好 ... CompactPCI总线 电气、逻辑、软件与PCI标准兼容 更加适用于工业测控领域 PXI总线（PCI extensions for Instrumentation） 1997年由NI公司发布 机械结构与CompactPCI总线要求相同 对机箱和印制电路板的温度、湿度、振动、冲击、电磁兼容性和通风散热等提出了要求 利用PCI-PCI桥技术可扩展多台PXI系统

通用标准总线与核科学领域结合 USB总线（Universal Serial Bus） 1994年由Intel、IBM、Microsoft等公司联合提出 采用通用连接器、自动配置、热拔插技术和相应的软件，实现资源共享和外设简单快速连接 较快的传输速度 通用的连接接口 支持热拔插连接和即插即用 采用星型层式结构和Hub技术，允许一个USB主控机连接最多127个外设 总线提供电源，可供低功耗设备使用

通用标准总线与核科学领域结合 ATCA（Advanced Telecom Computing Architecture） 开放性，支持多种标准协议 模块化设计，易于扩展及管理维护 支持电信级操作系统，提供扩展API 提供高可靠性服务 减少开发时间和成本 广泛应用于电信、电力、铁路交通等领域

通用标准总线与核科学领域结合 ATCA vs. CPCI ATCA PICMG 3.0 CompactPCI PICMG 2.16 互联带宽 40 Gbps 1Gbps (PICMG 2.16) ~ 4Gbps (PCI only) 尺寸 ~ 140 sq. in. (930 sq. cm) ~ 58 sq. in. (374 sq. cm) 电源 -48 VDC 3.3，5，±12 VDC 功率 120 ~ 200 W 50 ~ 60 W

电路分析基础 有关电脉冲信号的术语

电路分析基础 基尔霍夫定律 基尔霍夫电流定律KCL：对于任一集总电路中的任一节点，在任一时刻，流出（或流进）该节点的所有支路电流的代数和为零，其数学表示式为： 基尔霍夫电压定律KVL：对于任一集总电路中的任一回路，在任一时刻，沿着该回路的所有支路电压降的代数和为零，其数学表示式为：

电路分析基础 电路的等效分析方法 戴维南定理：若含源线性单口网络的端口电压u和电流i为非关联参考方向，则该网络可等效为一个电压源串联电阻支路，其电压源电压为uOC，其串联电阻为Rab，其VAR可表示为： 诺顿定理：含源线性单口网络，就其端口来看，可以等效为一个电流源并联电阻的组合，电流源的电流等于该网络的短路电流iSC，并联电阻Ro等于该网络中所有独立源为零值时所得网络的等效电阻Ro：

电路分析基础 电路元件的阻抗 如果将元件在正弦稳态时电压相量与电流相量之比定义为该元件的阻抗Z，则有：

电路分析基础 模拟信号的放大 放大电路的四种类型：电压放大、电流放大、互阻放大、互导放大 放大电路的频率响应：在输入正弦信号情况下，输出随频率连续变化的稳态响应。若考虑电抗性元件的作用和信号角频率变量，则放大电路的电压增益可表达为： 为信号的角频率，AV()表示电压增益的模与角频率之间的关系，称为幅频响应；而()表示放大电路的输出与输入正弦电压信号的相位差与角频率之间的关系，称为相频响应

电路分析基础 模拟信号的放大 放大电路的带宽：横坐标采用频率为单位，纵坐标采用对数刻度，可得到电路频率响应的波特图 幅频响应平坦的的中间段称为中频区，增益下降3dB的频率点，其输出功率约等于中频区输出功率的一半，称为半功率点，高、低两个半功率点间的频率差定义为放大电路的带宽

电路分析基础 二极管的电路分析 二极管的模型符号及输入输出特性曲线： 利用二极管的单向导通特性，在开关电路中获得了广泛的应用

电路分析基础 三极管的电路分析 三极管的模型符号及输入输出特性曲线： 三极管具有饱和、放大、截止三种工作状态，通过调整静态工作Q点，让三极管工作在放大区，就可以通过电流控制来实现放大作用

电路分析基础 三极管的电路分析 三极管放大电路三种基本组态的比较：

电路分析基础 场效应管的电路分析 场效应管的模型符号及输入输出特性曲线： 场效应管栅极和沟道之间的PN结为反向偏置，即其输入电阻很高，同时噪声、温度特性等比三极管更具优势

电路分析基础 场效应管的电路分析 场效应管放大电路三种基本组态的比较：

电路分析基础 运算放大器的电路分析 运算放大器的模型符号及输入输出特性曲线：

电路分析基础 运算放大器的电路分析 运算放大器的典型参数： 对于理想运放，由于A为无穷大，且输出电压uo为有限值，因此，uD=u+-u-=0，即u+=u-（虚短）；由于输入电阻为无穷大，因此不论同向端还是反向端，输入电流为零，即i+=i-=0（虚断） 参数 名称 典型数值 理想值 A 放大倍数 105-107 ∞ Ri 输入电阻 106-1013Ω Ro 输出电阻 10-100Ω

阻抗匹配 传输线的特征阻抗 对平行双导线结构的传输线，其分布等效电路可表示为：

阻抗匹配 传输线的特征阻抗 该电路的电报方程为： 若传输线上的电压、电流为正弦形式U(z)ejωt、I(z)ejωt，则有：

阻抗匹配 传输线的特征阻抗 计算可得通解： 将Z0定义为特性阻抗，有：

阻抗匹配 传输线的特征阻抗 对于理想的无损耗、无畸变传输线，有r=0，g=0，则： 对于实际的传输线，一般有r=R，g=0，则： 因此，特征阻抗是频率的一个强函数，在低频情况下，R超过ωL，特征阻抗与频率的平方根成反比，在高频时，ωL超过R，特征阻抗变得趋近于常数

阻抗匹配 传输线上的反射 当信号从传输线一端输入时，其中的一部分沿线路向下传播，该部分是频率的函数，记为输入接收函数A(ω)：

阻抗匹配 传输线上的反射 A(ω)的值由源端阻抗ZS和传输线特征阻抗Z0决定： 随着信号的传播，其受到传输函数HX(ω)的影响： 在传输线的远端，出现的是一个信号衰减的输出传输函数T(ω)，T(ω)的值由负载阻抗ZL和传输线特征阻抗Z0决定：

阻抗匹配 传输线上的反射 当T(ω)出现在传输线远端时，其部分会沿着传输线向源端反向传播，反射回源端的这部分记为远端反射函数R2(ω)： 当反射信号传播回源端时，再一次被HX(ω)衰减，并被源端阻抗第二次反射，源端反射函数R1(ω)为：

阻抗匹配 传输线上的反射 从源端被反射之后，信号第三次被HX(ω)衰减，再一次出现在远端，从而不断循环 最终传输线远端的信号总和可表示为： 粗略计算时，可忽略传输线的DC电阻，对反射函数进行简化，而在精确分析时，就必须采用精确的公式

阻抗匹配 传输线上的反射

阻抗匹配 控制传输线反射的方法 若传输线的传输参数HX(ω)是固定的，则可通过源端阻抗ZS来控制A(ω)和R1(ω)项，通过负载阻抗ZL来控制R2(ω)项 末端端接：控制负载阻抗ZL等于传输线特征阻抗Z0，即可使远端反射函数R2(ω)为零，此时传输线远端的信号为： 它实际上消除了远端第一次反射，因此不会对破坏传输线的频率响应，但对于工作在RC情况下的长传输线，要获得在很宽频率范围内与特征阻抗匹配的网络比较困难

阻抗匹配 控制传输线反射的方法 源端端接：控制源端阻抗ZS等于传输线特征阻抗Z0，即使源端反射函数R1(ω)为零，此时传输线远端的信号为： 此时输入接收函数A(ω)为1/2，若将传输线的源端开路，即使ZS=∞，则有R2(ω)≈1，T(ω)=2，线路末端的电压加倍，可以补偿输入端电压的减半

阻抗匹配 控制传输线反射的方法 短线：当使用非常短的传输线连接时，即HX(ω)=1，此时传输线远端的信号为： 即可得到负载阻抗ZL和源端阻抗ZS由构成的简单阻抗分配网络 要使上式成立，线路必须小于上升沿电气有效长度的1/6，即：

阻抗匹配 传输线端接的方法 传输线末端并联端接：终端阻抗R1等于特征阻抗Z0 驱动波形以满幅度沿着整个传输线路径传播，所有反射被末端端接电阻衰减，接收到的电压等于传输电压

阻抗匹配 传输线端接的方法 传输线末端分离式端接：戴维南等效端接 电阻R1和R2并联后等于特征阻抗Z0，R1和R2的比值控制着高、低电平状态下驱动电流的相对比例

阻抗匹配 传输线端接的方法 带分支线的传输线末端端接：分支线的特征阻抗为源端线路的两倍，末端端接电阻与分支线特征阻抗相等

阻抗匹配 传输线端接的方法 传输线源端串联联端接：源端阻抗R1等于特征阻抗Z0 驱动波形在传播到传输线之前被串联端接电阻分压一半，在远端开路情况下，反射信号是信号强度的一半，加上初始信号强度，在接收端达到信号的完整电平