cmos硅像素探测器高速数据测试系统-物理学、理论物理专业毕业论文.docx

IV
万方数据
目录
摘要 ..I
ABSTRACT ..III
目录 .V
第一章引言 ..1
.1
..1
..2
..2
.4
.6
一6
7
第二章CMOS硅像素探测器与测试系统 一9
CMOS硅像素探测器的研究背景 一9
CMOS硅像素探测器的介绍 10
CMOS芯片的结构布局 .10
CMOS芯片的工作原理 .10
CMOS芯片的数据结构 .13
14
PCI Express总线 15
FPGA数据采集卡 .1 5
第三章测试系统的设计过程 19
19
20
ADC模数转换器 20
22
V
万方数据
FPGA高速采集卡设计 23
FPGA的代码设计 ..23
25
28
FPGA与PC机的数据传输 30
.30
3 1
第四章测试系统的控制 33
33
35
第五章测试系统的性能测试与讨论 39
39
40
41
第六章总结 .43
参考文献 ..45
致谢 .47
攻读硕士期间发表的学术论文目录 ..47
独创性声明 ..51
关于论文使用授权的说明 ..51
VI
万方数据
第一章引言
第一章引言
人类自古以来都在孜孜不倦地探索宇宙中的未知问题,古有大神盘古开天辟地的传说,今有宇宙的大爆炸等理论的产生。宇宙大爆炸理论认为宇宙是由一个超高温超高密度的系统发展而来,新的粒子和物种不断地产生,从而形成了现在的宇宙。在古代社会, 由于落后的科技能力,人类只能依靠想象能力去理解宇宙万物。随着人类文明的进步, 在科技发达的当今社会,我们依靠高能物理实验来对宇宙的起源和基本粒子进行研究。物理学家建造了一些大型粒子对撞机,通过高能粒子的对撞来模拟重现宇宙大爆炸后短
时间内所产生的物质,并且希望从粒子对撞实验中发现更多未知的新知识。欧洲核子中心在2012年宣布,在大型强子对撞机上发现了希格斯粒子,希格斯粒
子在“标准模型"中被称作“上帝粒子”,它的发现标志着“标准模型"的完成和一个新时代的开始。目前,国内预建设一个世界级大型加速器一环形正负电子对撞机(CEPC)。其主要任务是精确测量希格斯玻色子的属性,并通过测量相对“标准模型" 预言的偏差,寻找“新物理”的蛛丝马迹。CEPC是一个世界级的大型加速器,它将为
高能物理的发展带来新的契机。针对CEPC最内层的顶点探测器的技术需求,正在研制的CMOS硅像素探测器,是一种具有高空间分辨率、高收集效率、高系统集成度且低功耗等优势的顶点探测器。
为了对探测器芯片样片的性能,特别是在各种电极尺寸及不同外延层厚度等条件下的电荷收集效率进行详细研究,需要设计一个可以实现高速数据传输和储存功能的测试系统,获取CMOS硅像素探测器芯片的信号数据,进而研究芯片的性能。


高能物理是一门研究物质结构、组成单元和相互作用的基础科学,目的是通过研究粒子的产生、湮灭、衰变等现象,从而发现一些新的物理现象,更加深入地了解我们所生活的物质世界【11。进行高能粒子对撞实验,首先需要有高能量的粒子源,获得高能量粒子的途径一般有两种,利用宇宙线或建造高能粒子加速器。通过高能加速器可以对带
1
万方数据
CMOS硅像素探测器高速数据测试系统电粒子流进行加速,从而得到高能粒子流,用大型粒子探测器来探测这些高能粒子碰撞后所产生的各种次级粒子。通过分析粒子的性质和它们之间的相互作用,从而获取新的
知识。
粒子物理的“标准模型”理论可以取得巨大的成果,与高能物理的粒子加速器技术的发展密不可分。与高能宇宙线相比,高能粒子加速器具有可重复、可控制和大统计量等优点,是对新物理现象探索、寻找和测量的重要实验装置。当今物理学界热点问题的研究,如Higgs粒子、中微子振荡和新物理的寻找等,都需要高能的粒子加速器的推进
和发展。
1.】。.2粒子对撞机
高能物理实验的目的是为了增强人类对宇宙万物的认识,理解我们所生活的物质世