HIRFL-CSR外部靶实验中束流粒子监测器的读出电子学固件

《IEEE Transactions on Neural Networks and Learning Systems》：Readout Electronics Firmware for the Beam Particle Monitor in the HIRFL-CSR External-Target Experiment

　　

摘要：

兰州重离子研究设施（HIRFL）冷却储存环（CSR）外靶实验（CEE）需要一个非截流式束流粒子探测器（BPM），以实现精确的首次顶点重建和背景抑制。传统的束流诊断方法无法同时满足高空间分辨率、连续在线监测和抗辐射性能的要求，因此本研究基于定制的Topmetal-CEEv2像素专用集成电路（ASIC）开发了一种双微时间投影室（micro-TPC）BPM。本文介绍了一套完整的现场可编程门阵列（FPGA）读出固件，运行在三块Xilinx Kintex-7器件上，具备模块化控制、触发同步和多级数据处理功能。系统支持三种工作模式：原始数据模式、触发同步的科学数据模式，以及一种新颖的四级流水线在线跟踪模式，可实时计算质心，其多簇能力已通过保护环注入测试验证。流水线逻辑实现了固定延迟 1.9 μs，并将数据传输率削减至原始像素流的仅10%，大大减轻了数据采集（DAQ）负载。我们通过保护环脉冲注入、4×4针孔激光测试以及350 MeV/u重离子束流实验对系统进行了验证。经过3σ离群值剔除后，两个激光注入位置的质心标准差从7.47/2.88降至0.47/0.46。束流运行证明BPM满足设计目标：横向空间分辨率优于50 μm，时间分辨率低于1 μs。与功能不完整的Topmetal-CEEv1原型固件相比，本版本集成了流水线触发采集、远程快速启动和实时状态监控，具有更高的吞吐量和模式灵活性。所有测试结果验证了所提出的BPM读出固件的完整且稳定的性能。

一、引言

冷却储存环（CSR）外靶实验（CEE）[1]位于兰州重离子研究设施（HIRFL）[2]、[3]，是一台大型固定靶谱仪，专门用于探索高重子密度区域下核物质的特性[4]。为支持此类物理测量，HIRFL-CSR装置向CEE提供覆盖从碳到铀所有元素的稳定重离子束流。该设施支持的最大相互作用事件率为，相当于峰值粒子率约为[5]。图1展示了CEE谱仪的整体布局。超导偶极磁铁产生均匀的0.5 T磁场，覆盖的中心有效体积为[6]。CEE谱仪的前端探测子系统包括束流粒子探测器（BPM）[7]、[8]、[9]、[10]和起始（T0）探测器[11]、[12]，两个时间投影室（TPC）[13]、[14]，六层多线漂移室（MWDC）[15]、[16]、[17]，内外部飞行时间探测器（iTOF和eTOF）[18]、[19]、[20]、[21]，以及零度量能器（ZDC）[22]、[23]。除上述探测器单元外，完整的谱仪还集成了配套电子基础设施：数据采集（DAQ）系统[24]、产生事件触发和同步信号的触发系统[25]、[26]，以及提供全局同步时间参考的时钟系统[27]。图1.

CEE谱仪的整体布局[28]。