《大面積水契倫科夫探測器陣列讀出電子學方法研究》是依託中國科學技術大學，由劉樹彬擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：大面積水契倫科夫探測器陣列讀出電子學方法研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：劉樹彬
- 依託單位：中國科學技術大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
大面積水契倫科夫探測器（WCDA）在宇宙線物理實驗中將可能得到廣泛套用，如未來我國的LHAASO、美國與墨西哥合作的HAWC等實驗。儘管水契倫科夫探測器已經在國內外許多實驗中得到套用，也有相應設計的讀出電子學，但針對未來可能的方圓百米尺度的大面積WCDA讀出方案在國內尚無研究，尤其數千通道的探測器信號需經百米以上傳輸，難以保證時間、電荷測量的精度和線性，可能制約物理目標實現；而相應的同步時鐘扇出方案、高事例率情況下的觸發、數據獲取設計方法也需要特別考慮。我們提出圍繞集總式或分散式的電子學布局結構開展研究，重點關注大尺度範圍特點下的高精度時鐘同步傳輸、高事例率的自觸發數據獲取、合適的時間及電荷測量手段選擇等幾個方面，分別進行研究設計，並互相結合，總結出一兩套合適的大面積WCDA讀出電子學設計方法，以期在未來的國內外相關實驗中可以得到套用。
結題摘要
通過四年的研究，我們超額完成了原定目標：實現了單光電子至4000光電子的大動態範圍高精度信號讀出和測量、大尺度範圍的高精度時鐘、數據、命令融合傳輸和高事例率的無觸發數據獲取技術手段；並設計了兩種原型系統供測試。 i.參考White Rabbit（WR）協定，設計了兼容WR 交換機的時鐘調相和數據傳輸電路，測試結果表明，數據傳輸率大於300 Mbps, 時鐘同步精度在-10℃~ 46℃的溫度範圍內好於100ps； ii.設計並實現了無觸發數據獲取系統電子學和相應邏輯，進行了電子學系統和探測器聯調驗證； iii.針對Hamamatsu R5912 PMT的打拿級、陽極讀出方式，設計了數版前端讀出電子學電路，設計了集成多PMT通道的原型系統，實現了高精度的電荷和時間測量。最終的AFE3.0電路電子學測試表明，S.PE的電荷測量精度好於10%，4000 PE的電荷測量精度好於1%，整個範圍內的時間測量精度好於0.5 ns RMS； iv.經對DRS4、CLC101等國外ASIC的測試，本研究的最後兩年調整計畫，增加自主研發ASIC的工作，開展了基於TOT技術、基於放大成形結合數字尋峰技術兩種方法的ASIC設計、流片和測試工作，經測試表明，實現了電荷測量和定時甄別電路功能。實現了1~4000 倍範圍電荷測量，電荷測量精度在整個動態範圍內好於20%；在整個動態範圍內時間精度好於500 ps。 v.分別設計了集總式、分散式的原型系統，在高能所、羊八井進行了探測器聯調。最終確立了基於分散式、無觸發數據獲取和時鐘傳輸方案，及放大成形和數字尋峰方法的前端電路的設計思路用於LHAASO。 隨著我國LHAASO （Large High Altitude Air Shower Observatory）在2015年12月29日正式立項，本項目的研究結果也獲得了牽頭單位的評審認可，將在其中9萬平方米的水契倫科夫探測器（Water Cherenkov Detector Array，WCDA）超過3000個光電倍增管的探測器讀出中得到套用。本基金資助的結果，體現了國家自然科學基金對基礎科學前沿和我國大科學工程技術研究的導向和引領價值。
