基于xTCA的径迹探测硬件分析和触发方法研究

Track detection is one of the important detection methods in particle physics and nuclear physics experiment. In order to achieve a larger volume and higher resolution of the particle track position information, the next generation of large physical track detection experiments require more detector channels and higher throughput. Currently, the data acquisition is based on commercial connectors and commercial data exchange equipment, while the data is processed in the software of the backend DAQ system. With the improve of the amount of data and channels, it is a challenge of the data transmission and software.. In this project, a method of hardware online data analysis and trigger for track detection is proposed, which is based on xTCA architecture and high-performance FPGA. According to the advantage of the cross bus and high-speed transmission of xTCA, the real time interactive great throughput will be researched. The benefit of the high-performance FPGA with rich resource will help to achieve reconstruction and analysis of the track of the particle and generate the trigger from the pattern recognition, which will reduce the pressure of the data transmission and software in the backend. The research of this project can be further extended to the DAQ of other multi-channel high data rate physical experiment.

径迹探测是粒子物理与核物理实验的重要探测手段之一。为了实现更大体积的粒子径迹探测和更高的位置信息分辨，下一代大型物理实验的径迹探测需要更多的探测器通道，产生更高的数据率。目前的数据获取方式主要基于商用的连接器与商用数据交换设备，将数据汇总到后端DAQ系统，在软件端进行处理。随着数据量和通道数的激增，这种方式对数传和软件的挑战越来越大。.本课题将xTCA架构和高性能FPGA的特点相结合，进行径迹探测实验的硬件在线数据分析和触发方案的研究。利用xTCA架构的交互式总线结构和高速数据传输通道，在平级节点进行探测器信息的网络式交互，研究实时大数据调度方法。利用高性能FPGA的丰富资源，进行探测器径迹的实时重建和分析，根据不同粒子特征进行模式识别，产生触发信息的方案。采用硬件实时计算的方式减少后端数据传输和软件的压力。本课题的研究内容可进一步推广到其它多通道高数据率的物理实验数据获取与触发的实现

径迹探测是粒子物理与核物理实验的重要探测手段之一。为了实现更大体积的粒子径迹探测和更高的位置信息分辨，下一代大型物理实验的径迹探测需要更多的探测器通道，产生更高的数据率。目前的数据获取方式主要基于商用的连接器与商用数据交换设备，将数据汇总到后端DAQ系统，在软件端进行处理。随着数据量和通道数的激增，这种方式对数传和软件的挑战越来越大。.本项目将xTCA架构和高性能FPGA的特点相结合，进行径迹探测实验的硬件在线数据分。研制成功一套包括ATCA载板和AMC子板系统的用于径迹探测实验的数据获取系统，研究了基于FPGA的多通道、高数据率在线数据获取与触发算法。利用96通道的多丝漂移室径迹探测器进行了电子学系统的验证，包括使用55Fe源和宇宙线对电子学系统的硬件功能和在线实时硬件算法进行了长期稳定性验证。.对于下一代大型核与粒子物理，粒子物理实验的规模越来越大，前端电子学正在向大规模、高速度、高密度、大数据量的方向发展。本项目利用xTCA架构对于数据传输和处理方面的优势，在提高集成度和测量精度的情况下实现获取方式。同时，交互式总线结构可以突破传统的树形结构的数据传输方式，在每一个平行节点进行数据交互，实现硬件的在线分析和触发。本项目研究成果可以推广并应用到我国的下一代大型粒子物理与核物理实验中。.在本项目的研究资助下，已发表SCI期刊论文3篇和EI收录国际会议论文1篇，发明专利2篇。培养学士学位获得者3名，国际会议交流报告1次。