LHAASO水切倫科夫探測器原型陣列讀出電子學研究.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重要課題，物理學家們使用許多實驗手段對宇宙線的相關(guān)問題進行研究，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站（Large High Altitude Air Shower Observatory，LHAASO）是我國科學家提出建設(shè)的覆蓋1平方千米的大型γ天文巡天掃描探測系統(tǒng)。LHA

2、ASO計劃的核心科學目標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。水切倫科夫探測器陣列（Water CerenkovDetectro Array，WCDA）是LHAASO的一個子探測器，探測面積為9 萬平方米，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、八井國際宇宙線觀測站中，通過工程建設(shè)平臺和實驗物理平臺考察和檢驗探測器的各項性能。本論文的主要研究工作就是針對WCDA 原型陣列的讀出電子學展開的。原型陣列中PMT需要進行時間和電荷測量，指標要求時間測量的分辨率小于1ns，精度小于0.5ns，電荷測量的動態(tài)范圍為S.PE-4000 PE，在S.PE 時精度小于10％，在4000PE 時精度小于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站

4、的總體規(guī)劃及其水切倫科夫探測器的詳細特點。
　　 第二章調(diào)研國內(nèi)外全部或部分采用水切倫科夫探測器的實驗裝置，著重介紹這些實驗中PMT的讀出方案，并對這些讀出方案進行了歸類和總結(jié)，作為原型陣列讀出電子學設(shè)計的參考。
　　 第三章詳細介紹原型陣列的相關(guān)內(nèi)容，包括探測器構(gòu)造、光電倍增管、讀出電子學性能指標。最后簡單介紹了讀出電子學的總體設(shè)計方案，讀出電子學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。前置放大器處于電子學的最前端，它的性能直接關(guān)系著整個讀出電子學系統(tǒng)的性能。根據(jù)PMT 信號動態(tài)范圍大的特點將前放設(shè)計為雙增益的結(jié)構(gòu)，由于單光電子信號的脈沖幅度非常小，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)計對比及改進，最終前放實現(xiàn)了小信號的低噪聲放大且在大動態(tài)范圍內(nèi)具有較好的線性。
　　 第五章主要介紹數(shù)字化插件中各個功能模塊的

6、設(shè)計及實現(xiàn)。數(shù)字化插件接收九塊前放放大后的18路信號并進行時間及電荷測量（只有前放高增益輸出的信號進行時間測量），同時負責觸發(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系統(tǒng)的測試。其中時間測量TDC的分辨率為0.893ns，整個讀出電子學的時間間隔晃動為0.475ns，單次時間戳晃動為0.335ns。電荷測量在S.PE 時精度不大于7％，其余信號不大于5％。測試結(jié)果表明讀出電子學的性能符合設(shè)計指標。