2.5 实验数据处理过程

%jsroot on

实验数据处理分为两阶段：先完成解码、信号整理与刻度，再进行粒子重建和物理分析。自触发读出还需要按时间关联建立事件，见后面的 event building。

模块化处理与阶段性保存

将解码、刻度、粒子重建和物理量计算分别放在独立模块中，每个主要阶段都将结果保存为新的 ROOT 文件，作为下一阶段的输入。原始数据保持不变。调整 PID cut 或最终谱的拟合区间时，直接读取已经完成刻度与重建的结果；更改刻度时，则从相应的上游文件重算。

每个输出保存 run、源事例编号和使用的刻度参数，便于从异常结果追溯到原始信号。这样的组织既避免反复解码，也让每一阶段都能单独检查。

第一阶段：从原始读数到可分析的信号

DAQ 原始文件按电子学插件协议保存数据块，包含 ADC/TDC 道值、通道地址及 overflow 等状态。读取前先确认本实验使用的插件协议和 mapping。

解码(decoding or mapping)：

解码程序通过读取数据中每个插件的特定标识，按对应协议进行解码。随后，根据实验设定的“探测器信号-插件通道”对应表（Mapping Map），将上述硬件数据转换成每个物理事件中具体探测器的测量值。经过此步骤生成的文件通常称为原始 ROOT 文件 (Raw ROOT File)。

事件重构(event building)：

根据探测器信号之间的时间逻辑关系，重新组织和对齐事件结构（具体算法机制见第 5 章）。

步骤一：有效道值与连续化（Dithering）

保留原始 ADC/TDC 整数码和状态，先排除缺失、overflow 及有效区间外的读数。随后按照 1.3 的方法进行 dithering，再进入刻度和组合运算；这是本讲义逐事件处理的标准步骤。

采用 $N\leftrightarrow[N,N+1)$ 的约定时，生成 $N+U(0,1)$。每个事例的每路有效测量只随机化一次，后续能量、位置与时间计算复用这一连续值，避免重复随机化改变变量间的对应关系。

步骤二：根据有效信号重建物理量

信号不完整时，先判断缺少的是哪一路、哪些物理量仍可重建，不因一个无效参数就舍弃整件事例。缺失读数与真实零值分开保存，无效标记不参与刻度、求和和拟合。

例如，PPAC 的 anode 缺失但两端位置信号有效时，仍可由时间差重建位置，再用其他 PPAC 的径迹检验其一致性。这类事例无法应用需要 anode 的 time-sum 条件，应单独记录重建类别，并检查位置 residual 和效率。

长条闪烁体一端电荷缺失、两端时间有效时，可先由时间差求位置，再用已标定的光衰减关系，从另一端幅度估计沉积信号。这保留了部分原本会损失的事例，但其分辨不同于双端重建，应分别检查和标记。

步骤三：关键信息的直方图化存储 (Histograms)

在处理每个 run 的事件循环中，同时填充常用的原始谱、hit 分布和关联谱，并随结果保存。这样检查数据质量时可以直接打开 histogram，不必反复扫描整个 TTree。直方图可与树保存在同一 ROOT 文件中，也可集中写入 hist001.root；逐事件信息仍由 TTree 保留。

常用信息包括：ADC/TDC 各通道的原始能谱和时间谱、同类型探测器的 Hit 分布图、探测器间的二维关联谱（如 $\Delta E-E$, $TOF-\Delta E$）等。

利用目录结构组织直方图： 当直方图数量庞大时，可使用 TDirectoryFile 在 ROOT 文件内部创建类似文件系统的目录结构，以便于在 TBrowser 中快速浏览。

代码示例：在 ROOT 文件中创建目录并分类存储直方图

root -l mg18.root

root[0] new TBrowser

- 在左侧栏中双击文件名，在Draw Option栏中填入“colz”等绘图选项。

gRandom->SetSeed(2501); // 固定示例的随机数种子
// 1. 创建用于存储直方图的 ROOT 文件
TFile *fout = new TFile("hist_test.root", "RECREATE");

// 2. 在根目录下创建一级目录 dir1 和 dir2
TDirectoryFile *dir1 = new TDirectoryFile("dir1", "ADC Spectra");
TDirectoryFile *dir2 = new TDirectoryFile("dir2", "TDC Spectra");

// 3. 在 dir1 下创建子目录 dir1sub
dir1->cd(); 
TDirectoryFile *dir1sub = new TDirectoryFile("dir1sub", "PPAC Detail");

// 4. 声明并初始化直方图 (注意在 new 之前切换到对应的目录)
TH1I *h0, *h1, *h2, *h1sub;

fout->cd();    // 回到根目录
h0 = new TH1I("h0", "Global Hist", 100, -3, 3);

dir1->cd();    // 进入 dir1
h1 = new TH1I("h1", "ADC Channel 1", 100, -3, 3);

dir1sub->cd(); // 进入子目录
h1sub = new TH1I("h1sub", "PPAC X pos", 100, -3, 3);

dir2->cd();    // 进入 dir2
h2 = new TH1I("h2", "TDC Channel 1", 100, -3, 3);

// 5. 填充数据 (实际分析中通常在 Event Loop 中进行)
h0->FillRandom("gaus", 10000);
h1->FillRandom("gaus", 10000);
h1sub->FillRandom("gaus", 10000);
h2->FillRandom("gaus", 10000);

// 6. 一次性将所有内存中的直方图按目录结构写入文件
fout->Write();
fout->Close();

写入后的目录结构：

Read hist from the file

root环境直接读取(见上图)

root -l hist_test.root
>new TBrowser

在左边树形目录结构中找到文件，鼠标点击进入目录结构，点击相应hist

代码读取

TFile *fin=new TFile("hist_test.root");

fin->ls();

TFile**		hist_test.root	
 TFile*		hist_test.root	
  KEY: TDirectoryFile	dir1;1	ADC Spectra
  KEY: TDirectoryFile	dir2;1	TDC Spectra
  KEY: TH1I	h0;1	Global Hist

TH1I* h0a=(TH1I*) fin->Get("h0");
TH1I* h1a=(TH1I*) fin->Get("dir1/h1");
TH1I* h2a=(TH1I*) fin->Get("dir2/h2");
TH1I* h1suba=(TH1I*) fin->Get("dir1/dir1sub/h1sub");

TCanvas *c1 = new TCanvas("c1","Directory example");
h1suba->Draw();
c1->Draw();

步骤四：实验参数一致性检验 (Drift Check)

由于探测器工作条件的变化（温度波动、噪声引入等）以及电子学参数的长期漂移，实验设备的增益或基线可能会随时间发生改变。 在进入正式物理刻度和设定数据切割条件（Cut）之前，先检查基础参数的时间稳定性，并进行必要的动态修正。

文件内变化：观察参数值随事件编号（Event Number）或绝对时间戳（Timestamp）的变化趋势。
全局变化：观察参数的统计平均值（如某特征峰的位置、探测器效率、时间分辨）随 Run Number（文件编号）的宏观漂移情况。

下图显示某次实验中TDC值、位置探测器分辨、效率等参数随着文件号的变化。

第二阶段：事件重建与物理分析

用刻度后的信号构建粒子 hit，处理相邻条的 charge sharing、front-back 对应关系和探测器间符合，再计算位置、能量及时间。第三章将逐步处理 DSSD 的这些问题。

物理选择常来自 ΔE–E 或 TOF–ΔE 的 PID、prompt 时间区间以及几何或运动学约束。选择后的数据仍可能含本底，且 cut 会改变效率与接受度。

在确定的反应假设下，用能量和方向计算 Q 值、激发能等物理量。截面还需要束流归一、靶厚、探测效率与接受度。重建和选择参数保存在结果旁，后续改变 cut 时就能知道哪些步骤需要重算。

物理条件的选择

用 $\Delta E$–$E$ 或 TOF–$\Delta E$ 的粒子带作 PID；用符合时间窗减少不相关信号；用探测器几何、靶点和守恒关系检验反应候选。prompt 窗口内仍含偶然符合，必要时以时间 sideband 估计。每项 cut 都可能改变效率或接受度，不是“选后数据必然纯净”。

运动学重建

由靶点和击中位置求出射方向，结合刻度后的能量计算 Q 值、激发能或不变质量。多粒子实验还需先确定各层信号属于哪个粒子。保存中间 hit 与事例编号，能把最终谱中的异常追溯到信号层。

谱分析与截面

峰的拟合给出中心、宽度和净计数，但观测峰宽同时包含探测器分辨与物理展宽；只有分离这些贡献后，才可能由自然宽度讨论寿命。Gaussian、Breit–Wigner 及连续本底模型应根据具体反应和响应选择。

反应截面需要将净计数对束流总数、靶核面密度、探测效率及几何接受度归一化。蒙特卡罗可计算给定装置和分析条件下的接受度，但其结果也依赖输入模型；数据质量检查和模型验证仍要保留在这一链条中。

用 Bash 组织多个 run 的处理

先从终端循环开始

下面在 code/compile2 目录运行。同一程序依次接收不同 run 号：

for run in {1..10}; do
    ./tracking "$run"
done

run 是当前编号，do ... done 是循环体，"$run" 取出变量的值。单个 run 已验证后，再把循环保存成脚本并增加参数及错误检查。

给脚本传入范围和目录

$1、$2 表示调用脚本时的前两个参数，$# 是参数个数。下面的完整脚本还检查输入文件是否存在、输出是否已有，并为每个 run 留下日志。

批量处理多个 run

先确认单个文件能正常处理，再用 Bash 循环调用 2.4 的程序。下面脚本接收起止 run、输入目录、输出目录和程序路径；每个 run 单独留日志，失败时继续处理其他 run，最后返回失败状态。

#!/usr/bin/env bash
set -u
if [ "$#" -ne 5 ]; then
    echo "Usage: bash run_batch.sh first last input_dir output_dir program" >&2
    exit 1
fi
first=$1; last=$2; input_dir=$3; output_dir=$4; program=$5
if ! [[ $first =~ ^[0-9]+$ && $last =~ ^[0-9]+$ ]] || (( first > last )); then
    echo "Invalid run range" >&2
    exit 1
fi
mkdir -p "$output_dir"
failed=0
for ((run=first; run<=last; run++)); do
    printf -v input_file '%s/f8ppac%03d.root' "$input_dir" "$run"
    printf -v output_file '%s/out%03d.root' "$output_dir" "$run"
    if [ ! -f "$input_file" ] || [ -e "$output_file" ]; then
        echo "Skip run $run: missing input or existing output" >&2
        failed=1
        continue
    fi
    if "$program" "$run" "$input_dir" "$output_dir" >"$output_dir/run$run.log" 2>&1; then
        echo "Run $run completed"
    else
        echo "Run $run failed; see $output_dir/run$run.log" >&2
        failed=1
    fi
done
exit "$failed"

在章目录运行：

bash run_batch.sh 1 1 . batch_output code/compile2/tracking

"$var" 保留路径中的空格；>log 2>&1 把正常输出和错误都写入日志。输入文件缺失或程序返回非零状态时，该 run 不被当作成功结果。再次运行前先检查输出目录，避免覆盖此前结果。

后台运行与日志

长时间处理可在服务器上用 nohup 启动：

nohup bash run_batch.sh 1 100 . batch_output code/compile2/tracking > analysis.log 2>&1 &
tail -f analysis.log

& 使命令在后台运行，nohup 忽略终端挂断信号；它不保证机器休眠、关机或作业被系统终止后仍继续。tail -f 跟随日志的新内容，按 Ctrl+C 只退出日志查看，不停止分析程序。