LHAASO水切倫科夫探測(cè)器原型陣列讀出電子學(xué)研究.pdf

1、宇宙線是來自宇宙空間中的高能粒子流，是人類能夠獲得的來自宇宙空間的唯一物質(zhì)載體。宇宙線研究已經(jīng)成為天體物理研究中的一個(gè)重要課題，物理學(xué)家們使用許多實(shí)驗(yàn)手段對(duì)宇宙線的相關(guān)問題進(jìn)行研究，包括宇宙線的構(gòu)成、起源、產(chǎn)生的物理過程等等。
　　 大型高海拔空氣簇射觀測(cè)站（Large High Altitude Air Shower Observatory，LHAASO）是我國(guó)科學(xué)家提出建設(shè)的覆蓋1平方千米的大型γ天文巡天掃描探測(cè)系統(tǒng)。LHA

2、ASO計(jì)劃的核心科學(xué)目標(biāo)是探索高能宇宙線起源以及相關(guān)宇宙演化、高能天體演化和暗物質(zhì)的研究。水切倫科夫探測(cè)器陣列（Water CerenkovDetectro Array，WCDA）是LHAASO的一個(gè)子探測(cè)器，探測(cè)面積為9 萬(wàn)平方米，用置于四米水深處的3600支光電倍增管（PhotoMultiplier Tube，PMT）捕捉低能量簇射，用于巡天掃描γ射線源。在LHAASO的預(yù)先研究階段，由9路PMT組成的WCDA原型陣列將首先建立在羊

3、八井國(guó)際宇宙線觀測(cè)站中，通過工程建設(shè)平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)物理平臺(tái)考察和檢驗(yàn)探測(cè)器的各項(xiàng)性能。本論文的主要研究工作就是針對(duì)WCDA 原型陣列的讀出電子學(xué)展開的。原型陣列中PMT需要進(jìn)行時(shí)間和電荷測(cè)量，指標(biāo)要求時(shí)間測(cè)量的分辨率小于1ns，精度小于0.5ns，電荷測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍為S.PE-4000 PE，在S.PE 時(shí)精度小于10％，在4000PE 時(shí)精度小于5％。
　　 本論文第一章介紹了宇宙線及其探索歷史，隨后介紹了大型高海拔空氣簇射觀測(cè)站

4、的總體規(guī)劃及其水切倫科夫探測(cè)器的詳細(xì)特點(diǎn)。
　　 第二章調(diào)研國(guó)內(nèi)外全部或部分采用水切倫科夫探測(cè)器的實(shí)驗(yàn)裝置，著重介紹這些實(shí)驗(yàn)中PMT的讀出方案，并對(duì)這些讀出方案進(jìn)行了歸類和總結(jié)，作為原型陣列讀出電子學(xué)設(shè)計(jì)的參考。
　　 第三章詳細(xì)介紹原型陣列的相關(guān)內(nèi)容，包括探測(cè)器構(gòu)造、光電倍增管、讀出電子學(xué)性能指標(biāo)。最后簡(jiǎn)單介紹了讀出電子學(xué)的總體設(shè)計(jì)方案，讀出電子學(xué)由位于前端的九塊前置放大器和位于后端的一塊數(shù)字化插件構(gòu)成，前放與數(shù)字化插

5、件通過100m 長(zhǎng)的同軸電纜連接。
　　 第四章主要介紹雙增益低噪聲前置放大器設(shè)計(jì)。前置放大器處于電子學(xué)的最前端，它的性能直接關(guān)系著整個(gè)讀出電子學(xué)系統(tǒng)的性能。根據(jù)PMT 信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍大的特點(diǎn)將前放設(shè)計(jì)為雙增益的結(jié)構(gòu)，由于單光電子信號(hào)的脈沖幅度非常小，前放的低噪聲放大是必不可少的。經(jīng)過幾種放大器的設(shè)計(jì)對(duì)比及改進(jìn)，最終前放實(shí)現(xiàn)了小信號(hào)的低噪聲放大且在大動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)具有較好的線性。
　　 第五章主要介紹數(shù)字化插件中各個(gè)功能模塊的

6、設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。數(shù)字化插件接收九塊前放放大后的18路信號(hào)并進(jìn)行時(shí)間及電荷測(cè)量（只有前放高增益輸出的信號(hào)進(jìn)行時(shí)間測(cè)量），同時(shí)負(fù)責(zé)觸發(fā)判選以及數(shù)據(jù)讀出。
　　 第六章主要為數(shù)字化插件及讀出電子學(xué)系統(tǒng)的測(cè)試。其中時(shí)間測(cè)量TDC的分辨率為0.893ns，整個(gè)讀出電子學(xué)的時(shí)間間隔晃動(dòng)為0.475ns，單次時(shí)間戳晃動(dòng)為0.335ns。電荷測(cè)量在S.PE 時(shí)精度不大于7％，其余信號(hào)不大于5％。測(cè)試結(jié)果表明讀出電子學(xué)的性能符合設(shè)計(jì)指標(biāo)。