LHAASO水切伦科夫探测器原型阵列读出电子学研究

论文摘要

宇宙线是来自宇宙空间中的高能粒子流,是人类能够获得的来自宇宙空间的唯一物质载体。宇宙线研究已经成为天体物理研究中的一个重要课题,物理学家们使用许多实验手段对宇宙线的相关问题进行研究,包括宇宙线的构成、起源、产生的物理过程等等。大型高海拔空气簇射观测站(Large High Altitude Air Shower Observatory,缩写为LHAASO)是我国科学家提出建设的覆盖1平方千米的大型γ天文巡天扫描探测系统。LHAASO计划的核心科学目标是探索高能宇宙线起源以及相关宇宙演化、高能天体演化和暗物质的研究。水切伦科夫探测器阵列(Water Cerenkov Detectro Array,缩写为WCDA)是LHAASO的一个子探测器,探测面积为9万平方米,用置于四米水深处的3600支光电倍增管(PhotoMultiplier Tube,缩写为PMT)捕捉低能量簇射,用于巡天扫描γ射线源。在LHAASO的预先研究阶段,由9路PMT组成的WCDA原型阵列将首先建立在羊八井国际宇宙线观测站中,通过工程建设平台和实验物理平台考察和检验探测器的各项性能。本论文的主要研究工作就是针对WCDA原型阵列的读出电子学展开的。原型阵列中PMT需要进行时间和电荷测量,指标要求时间测量的分辨率小于1ns,精度小于0.5ns,电荷测量的动态范围为S.PE– 4000 PE,在S.PE时精度小于10%,在4000PE时精度小于5%。本论文第一章介绍了宇宙线及其探索历史,随后介绍了大型高海拔空气簇射观测站的总体规划及其水切伦科夫探测器的详细特点。第二章调研国内外全部或部分采用水切伦科夫探测器的实验装置,着重介绍这些实验中PMT的读出方案,并对这些读出方案进行了归类和总结,作为原型阵列读出电子学设计的参考。第三章详细介绍原型阵列的相关内容,包括探测器构造、光电倍增管、读出电子学性能指标。最后简单介绍了读出电子学的总体设计方案,读出电子学由位于前端的九块前置放大器和位于后端的一块数字化插件构成,前放与数字化插件通过100m长的同轴电缆连接。第四章主要介绍双增益低噪声前置放大器设计。前置放大器处于电子学的最前端,它的性能直接关系着整个读出电子学系统的性能。根据PMT信号动态范围大的特点将前放设计为双增益的结构,由于单光电子信号的脉冲幅度非常小,前放的低噪声放大是必不可少的。经过几种放大器的设计对比及改进,最终前放实现了小信号的低噪声放大且在大动态范围内具有较好的线性。第五章主要介绍数字化插件中各个功能模块的设计及实现。数字化插件接收九块前放放大后的18路信号并进行时间及电荷测量(只有前放高增益输出的信号进行时间测量),同时负责触发判选以及数据读出。第六章主要为数字化插件及读出电子学系统的测试。其中时间测量TDC的分辨率为0.893ns,整个读出电子学的时间间隔晃动为0.475ns,单次时间戳晃动为0.335ns。电荷测量在S.PE时精度不大于7%,其余信号不大于5%。测试结果表明读出电子学的性能符合设计指标。第七章为论文的总结及展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 宇宙线探测
• 1.2 大型高海拔空气簇射观测站
• 1.2.1 LHAASO总体规划
• 1.2.2 LHAASO WCDA
• 参考文献
• 第二章 水切伦科夫探测器
• 2.1 The Milagro observatory
• 2.2 The HAWC observatory
• 2.3 The Super-Kamiokande detector
• 2.4 IceCube
• 2.5 大亚湾中微子实验
• 2.6 小结
• 参考文献
• 第三章 LHAASO WCDA原型阵列
• 3.1 原型阵列探测器
• 3.1.1 原型阵列结构
• 3.1.2 光电倍增管
• 3.1.3 读出电子学指标要求
• 3.2 原型阵列读出电子学总体设计
• 3.2.1 前置放大器
• 3.2.2 数字化插件
• 参考文献
• 第四章 双增益前置放大器的设计及测试
• 4.1 前放的设计考虑
• 4.2 几种方案的设计与对比
• 4.2.1 放大器的选型
• 4.2.2 两级结构放大器的设计及测试
• 4.2.3 三级结构放大器的设计及测试
• 4.2.4 电缆测试
• 4.2.5 方案对比小结
• 4.3 原型阵列前放的设计及测试
• 4.3.1 前置放大器的设计
• 4.3.2 前置放大器的测试
• 4.3.3 小结
• 参考文献
• 第五章 数字化插件的设计
• 5.1 数字化插件的功能
• 5.2 各模块介绍
• 5.2.1 时钟模块
• 5.2.2 GPS模块
• 5.2.3 时间测量模块
• 5.2.4 电荷测量模块
• 5.2.5 校准模块
• 5.2.6 触发模块
• 5.2.7 事例组装模块
• 5.2.8 VME读出模块
• 5.2.9 FPGA在线配置模块
• 5.2.10 触发屏蔽模块
• 参考文献
• 第六章 系统测试
• 6.1 电子学性能分析
• 6.1.1 时间测量精度分析
• 6.1.2 电荷测量精度分析
• 6.2 电子学测试方案研究
• 6.2.1 时间测量方案
• 6.2.2 电荷测量方案
• 6.3 电子学性能测试
• 6.3.1 时间测量
• 6.3.2 电荷测量
• 6.3.3 串扰测试
• 6.3.4 数据读出测试
• 6.3.5 FPGA在线配置测试
• 6.4 探测器联调测试
• 6.5 小结
• 参考文献
• 第七章 总结与展望
• 附录
• 附录1 原型阵列读出数据格式
• 附录2 数字化插件主要寄存器
• 附录3 前置放大器照片
• 附录4 数字化插件照片
• 附录5 电子学测试照片
• 附录6 联调测试照片
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果