CBm-TOF无触发数据获取系统数据压缩算法研究

摘要

量子色动力学(QCD)相图一直都是核物理学界研究的重要对象之一。为了探究QCD相图中高能量高重子密度区域的相关特性，德国在其反质子与离子研究中心启动了压缩重子物质实验(CBM)以及SIS100/SIS300加速器的建造。作为压缩重子物质实验(CBM)的子探测器之一的飞行时间探测器(TOF)，其主要的物理目标是通过测量带电粒子的飞行速度来完成对各类带电粒子的识别。由于压缩重子物质实验(CBM)中粒子的相互作用频率非常高（高达10MHz）,所以实验对飞行时间探测器整个系统的时间分辨率的要求非常严格。为了满足时间分辨率的要求TOF在探测器方面采用条形电极读出结构的多气隙平行板阻抗室(MRPC)，而在数据获取系统的方案上选择了无触发的数据获取系统。
　　数据获取系统是由GSI自主研发的前置放大与甄别器(PADI)+时间数字转换器（GET4-TDC）+读出控制器(ROC)链路通道组成。为了能够保证探测到全部的粒子时间信息，系统会在整个工作过程中不间断安插时间标记以及各种辅助便签信号。这样得到的原始数据流的形式会非常复杂，与带电粒子相关的时间信息会穿插在整个原始数据流中。
　　本文主要的研究工作是设计了一套相对完整的数据压缩算法用来提取CBM-TOF原始数据流中与带电子粒子打靶相关的时间信息。算法通过三个步骤完成对数据的压缩处理，分别是有效性验证、时间沿排序、脉冲建立与脉宽筛选。有效性验证是对数据的初步筛选，将与同步时间戳相符合的事例数据提取出来并剔除掉同步时间戳范围之外的事例数据。时间沿排序对筛选出来的事例数据按照时间顺序排序。脉冲建立将按照时间先后顺序将两个时间沿组合成一个新的事例数据。最后脉冲筛选通过计算事例中两个时间沿的时间间隔，将其中时间间隔符合给定时间范围内的事例数据筛选出来。
　　算法使用了来自COSY的束流测试的数据对其正确性和有效性进行了验证。就算法结果而言，数据的压缩率达到94.5％以上，并且完整的保留了有用的粒子时间信息。本算不仅法减轻了无触发数据获取系统链路上数据流的压力，而且高效快速的将原始数据中有价值的信息提取出来，基本完成了针对CBM-TOF数据预处理的工作要求。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 CBM与TOF子探测器

1．2 主要研究内容

1．3 论文结构

第二章 CBM-TOF探测器及其结构介绍

2．1 飞行时间探测技术(Time of Flight)

2．2 CBM实验对TOF的指标要求

2．3 MPRC介绍及TOF-wall介绍

第三章 CBM-TOF探测器数据获取系统

3．1 触发与无触发数据获取方式

3．2 CBM-TOF数据获取链路整体框架

3．3 PADI前置放大与甄别器介绍

3．3．1 PADI原理与板图简介

3．3．2 TOT测量方法及PADI的TOT性能介绍

3．4 GET4-TDC介绍

3．4．1 GET4工作原理

3．4．2 GET4-TDC数据流

3．4．3 GET4数据格式

3．5 噪声与阈值控制

3．6 读出控制器ROC

3．7 CLOSY时钟发生器及时钟分配系统介绍

第四章 数据压缩算法设计

4．1 算法目的

4．1．1 数据筛选与提取

4．1．2 数据重组

4．2 算法设计

4．2．1 算法的总体框架结构

4．2．2 数据有效性验证

4．2．3 时间沿数据排序

4．2．4 脉冲建立(Hit-building)与宽度筛选算法设计

4．2．5 关于建立粒子事件算法设计

4．2．6 数据格式设置

4．2．7 结果记录与统计

4．3 算法控制脚本的设计

4．3．1 设计目的

4．3．2 脚本流程设计

第五章 算法验证与测试

5．1 对模拟数据的算法测试

5．1．1 模拟数据流介绍

5．1．2 测试结果

5．2 对束流测试数据的压缩结果

5．2．1 束流测试数据来源介绍

5．2．2 测试结果

第六章 总结与展望

参考文献

致谢