西藏羊八井LHAASO实验水切伦科夫探测器阵列分布式电子学方案研究

论文摘要

宇宙线物理通过研究携带着宏观宇宙、微观世界和空间环境的科学信息的高能宇宙线粒子,探索宇宙的历史、天体的演化、空间的环境和许多未解的科学之谜。为了探索宇宙线,发明了一系列探测技术,通过观测广延大气簇射进而研究宇宙线物理的相关问题。大型高海拔空气簇射观测站（Large High Altitude Air Shower Observatory,LHAASO）是计划建设在海拔4300米的青藏高原上的西藏羊八井的国际宇宙线观测站。LHAASO实验依靠大型复合式探测器阵列,同时研究30TeV的高阈能和300GeV的低阈能两个能量范围内的重大前沿问题。水切伦科夫探测器阵列是LHAASO实验的重要组成部分,包括4个子探测器阵列,每个子探测器为150米×150米包括900个光电倍增管。为了验证物理学,探测器与电子学的原理,在羊八井建造了一个包括9个光电倍增管的原型小系统。分布式电子学系统架构的主要特征是将每个探测器的数字化功能放置在靠近探测器的前端完成,因此也称为前端数字化。对于大通道数目、大面积尺度的物理实验,将所有模拟信号汇总到集中的电子学机房内进行数字化会导致信号被传输电缆衰减而损失物理信息。分布式电子学系统架构直接从原理上避免了模拟信号的信息损失,前端数字化这个设计思想使得每个探测器信号的数字化完成在靠近探测器的近端,减少了远距离模拟信号传输带来的所有不利影响。分布式电子学系统架构的设计难点在于远距离大面积的高精度时钟分配。本论文研究这种分布式电子学系统架构在LHAASO实验的水切伦科夫探测器阵列中的设计方案,包括探测器读出子系统,时钟子系统和触发子系统等,重点研究分布式电子学系统规划,高精度的时钟产生和分配方案,基于TOT（Time Over Threshold）的光电倍增管读出方案。第一章简要介绍了宇宙线物理、宇宙线的探测技术和切伦科夫探测器的原理,并回顾了目前国际上的大型水切伦科夫探测器物理实验的状况。第二章介绍了LHAASO实验的探测器阵列设计,并分析了水切伦科夫探测器阵列的探测器状况与读出电子学系统的指标需求。第三章提出了分布式电子学系统架构,研究了分布式架构与传统的集总式电子学系统架构的区别以及优缺点。分析了采用集总式架构的大亚湾实验和超级神冈实验,采用分布式架构的IceCube实验与ANTARES实验。根据LHAASO实验的特点和物理需求,为水切伦科夫探测器阵列设计了分布式电子学系统方案,Offshore电子学系统为在水池上方探测器附近完成光电倍增管信号数字化的前端电子学系统;Offshore电子学系统为在集中电子学机房内实现数据传输、时钟分配和触发产生的后端电子学系统。第四章研究了高精度时钟的产生与分配这一分布式电子学系统架构中的设计难点。研究了与世界公共时间相关的高精度时钟的产生,基于同步时钟分配、异步时钟校准和高精度时钟协议技术的时钟分配方案。分析了ANTARES实验,IceCube实验以及小白兔方案中的高精度时钟产生与分配实现。为LHAASO实验设计了基于GPS（Global Positioning System）和铷时钟源的时钟产生方案,以及基于串并/并串转换和光纤技术的时钟分配方案,并设计了基于回声原理的时钟传输延迟校准方法。第五章研究了物理实验中探测器的读出技术,包括传统电荷测量技术,波形数字化技术和TOT技术。分析了使用不同技术的国际大型水切伦科夫探测器实验的使用方案。在LHAASO实验中,设计采用基于QTC（Quantity-to-Time Converter）芯片的TOT技术实现光电倍增管的时间和电荷测量。在第六章中设计了一套分布式架构的原理验证电子学系统,该系统包括两个模块:基于VME（VersaModule Eurocard）总线的6U模块,作为分布式架构的Onshore电子学系统原型,验证后端电子学系统功能;基于USB（Universal Serial Bus）的模块,作为分布式架构的Offshore电子学系统原型,验证前端电子学系统功能。针对分布式电子学系统架构的设计难点,主要用于验证远距离的数据和时钟传输技术,确定了合适的数据传输芯片和时间测量技术。在第七章中,为水切伦科夫探测器原型小系统设计了一套分布式架构的光电倍增管读出电子学系统。该系统包括前端电子学模块和后端电子学模块两部分,其中前端电子学模块采用基于TOT技术的QTC芯片和基于FPGA（Field-Programmable Gate Array）的时间测量完成9个光电倍增管的时间和电荷信息的数字化。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 宇宙线物理简介
• 1.2 宇宙线探测技术
• 1.3 切伦科夫探测器原理
• 1.3.1 切伦科夫辐射
• 1.3.2 切伦科夫探测器
• 1.4 国际大型水切伦科夫探测器实验状况
• 1.4.1 Milagro
• 1.4.2 HAWC
• 1.4.3 IceCube
• 1.4.4 ANTARES
• 1.4.5 超级神冈
• 1.4.6 大亚湾
• 1.5 本章小结
• 参考文献
• 第二章 LHAASO 实验水切伦科夫探测器阵列
• 2.1 西藏羊八井大型高海拔宇宙线探测实验介绍
• 2.2 探测器阵列设计
• 2.3 水切伦科夫探测器
• 2.3.1 光电倍增管选择
• 2.3.2 原型小系统水切伦科夫探测器阵列
• 2.4 读出电子学系统任务
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 分布式电子学系统架构
• 3.1 集总式电子学系统架构
• 3.1.1 大亚湾实验的集总式电子学系统
• 3.1.2 超级神冈实验的集总式电子学系统
• 3.2 分布式电子学系统架构
• 3.2.1 分布式和集总式电子学系统架构对比
• 3.2.2 IceCube 实验的分布式电子学系统
• 3.2.3 ANTARES 实验的分布式电子学系统
• 3.3 水切伦科夫探测器阵列分布式电子学系统方案设计
• 3.3.1 Offshore 电子学系统
• 3.3.2 Onshore 电子学系统
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 LHAASO 时钟系统方案初步考虑
• 4.1 系统时钟产生
• 4.2 系统时钟分配
• 4.2.1 同步时钟分配方案
• 4.2.2 异步时钟校准方案
• 4.2.3 PTP 技术
• 4.2.4 小白兔方案
• 4.3 国际大型水切伦科夫探测器实验时钟方案
• 4.3.1 ANTARES 实验方案
• 4.3.2 IceCube 实验方案
• 4.4 水切伦科夫探测器阵列时钟方案初步考虑
• 4.4.1 系统时钟产生
• 4.4.2 系统时钟分配
• 4.4.3 时钟校准方案
• 4.4.4 公共起始时间信息
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 光电倍增管读出方案
• 5.1 传统电荷测量技术
• 5.1.1 电荷—电压转换
• 5.1.2 滤波成型电路
• 5.1.3 模数变换
• 5.2 波形数字化技术
• 5.2.1 波形数字化方案
• 5.2.2 ANTARES 方案
• 5.2.3 IceCube 方案
• 5.3 TOT 技术
• 5.3.1 TOT 方案
• 5.3.2 TDC 技术
• 5.3.3 Milagro 方案
• 5.4 基于 QTC 芯片的 PMT 读出方案
• 5.4.1 QTC 芯片—CLC101EF
• 5.4.2 超级神冈实验中的应用
• 5.4.3 基于QTC 的分布式读出电子学电路设计
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 分布式原理验证系统设计与测试
• 6.1 系统整体结构
• 6.2 时钟产生与分配系统
• 6.2.1 时钟产生电路
• 6.2.2 时钟分配电路
• 6.3 总线与接口部分
• 6.3.1 VME 总线接口
• 6.3.2 USB 接口
• 6.4 FPGA
• 6.5 测试结果
• 6.5.1 时钟恢复质量测试
• 6.5.2 恢复时钟相位测试
• 6.5.3 传输延迟校准测试
• 6.6 本章小结
• 参考文献
• 第七章 原型小系统分布式电子学系统设计
• 7.1 系统整体结构
• 7.2 后端电子学模块设计
• 7.3 FEE 模块设计
• 7.3.1 基于TOT 技术电路
• 7.3.2 电路校准设计
• 7.3.3 其余部分设计
• 7.4 本章小结
• 参考文献
• 第八章 总结与展望
• 8.1 总结
• 8.2 展望
• 参考文献
• 附录 1 原理验证系统
• 附录 2 原型小系统分布式电子学系统
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文