超高能伽馬源觀測望遠鏡讀出電子學(xué)的研制

1、博士論文開題報告學(xué)生：XXX導(dǎo)師：XXX時間：XXXX超高能伽馬源觀測望遠鏡讀出電子學(xué)的研制報告目錄1.選題背景2.調(diào)研方案3.研究目標4.設(shè)計方案5.工作進展6.工作計劃7.參考文獻231、選題背景LHAASO的超強靈敏度為尋找100TeV源提供了強有力的保證1其較弱的空間分辨率導(dǎo)致無法精確分辨出天體的空間結(jié)構(gòu)為提高100TeV能段的空間分辨率建設(shè)大型超高能伽馬源立體跟蹤觀測設(shè)備（Large Array of imaging atmospheric Cherenkov Telescopes，LACT）LACT由32臺6米口徑的中型切倫科夫望遠鏡組成 光學(xué)系統(tǒng) SiPM相機 讀出電子學(xué)系統(tǒng)中型

2、切倫科夫望遠鏡 數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng) 供電系統(tǒng) 望遠鏡支撐傳動系統(tǒng) 慢控制系統(tǒng)讀出電子學(xué)：完成波形采樣和數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸 LACT在LHAASO站點的排布SiPM相機中844個像素布局單個像素構(gòu)成4JUNO中使用的Flash ADC采樣精度：12 bits連續(xù)采樣波形功耗：800mW/ChannelSwitched Capacitor Array： Domino Ring Sampler (DRS)采樣精度：11.5 bits功耗：17.5mW/Channel(2 GSPS)死時間：30ns*number of samplesDRS原理結(jié)構(gòu)示意圖2、調(diào)研方案高速波形數(shù)采樣方案：精確測量電荷信息和時間

3、信息，最大限度的保留探測器輸出信息，方便用于噪聲的識別和剔除兩種實現(xiàn)方式：1.基于并行 ADC實現(xiàn)高速采樣和高速模數(shù)轉(zhuǎn)換 2.基于開關(guān)電容陣列實現(xiàn)高速采樣和低速模數(shù)轉(zhuǎn)換JUNO采用的12位1GSPS高速采樣高速模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng) MAGIC I中的8位300MSPS高速采樣低速模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)3VERITAS采用的8位500MSPS高速采樣高速模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)2 MAGIC II中的10位2GSPS高速采樣低速模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)453、研究目標為了減少支撐系統(tǒng)的負擔，需要把電子學(xué)整體放到前端探測器SiPM相機上電子學(xué)系統(tǒng)完成波形采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換后通過1根光纖將數(shù)據(jù)傳輸給后端計算機主要挑戰(zhàn)：高海拔地區(qū)空氣稀薄，散熱條

4、件不好，過高的功耗將給前端探測器帶來無法承擔的熱量研究目標：針對LACT目標，研制一套適合在高海拔環(huán)境下運行的高密度低功耗超高能伽馬源觀測望遠鏡讀出電子學(xué)系統(tǒng)SiPM相機中844個像素布局參數(shù)名稱參數(shù)數(shù)值動態(tài)范圍5pe-8000pe單道觸發(fā)率50 kHzthredshold=3.5pe事例率 （單臺望遠鏡觸發(fā)）1kHz，平均著火pixel：28電荷分辨率30%5pe，5%100pe相對偏差（非線性）5%時間分辨率10ns信號寬度底寬：40ns天空本底噪音晴朗無月夜35MHz threshold = 0.5 pe64、設(shè)計方案1.采用基于 SCA ASIC的波形采樣方案通道數(shù)：16采樣率：1GS

5、PSADC分辨率：12bits模擬帶寬：360MHz讀出時間：20s功耗：15mW/Channel2.高低增益分量程測量高增益量程測量5pe-500pe的小信號低增益量程測量80pe-8000pe的大信號SCA高速采樣經(jīng)過放大電路調(diào)制的信號，信號寫入SCA的采樣單元，如果沒有觸發(fā)信號到來，則進行循環(huán)覆蓋式寫入。如果觸發(fā)判選邏輯判定為好事例，則SCA停止波形采樣，ADC對SCA采樣單元上存儲的波形進行數(shù)字化處理，并將數(shù)字化后的波形采樣信息存儲在緩存器中，判斷選擇量程后，緩存器中存儲的波形采樣信息通過TCP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳輸給后端的計算機7全差分運放THS4541:單端轉(zhuǎn)差分，調(diào)節(jié)共模，增加驅(qū)動能力開關(guān)

6、電容陣列DRS45:9通道開關(guān)電容陣列采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD92226：8通道ADC比較器ADCMP601:產(chǎn)生觸發(fā)判選信號用于控制DRS4讀寫狀態(tài)數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC(LTC2600)：提供參考電壓、刻度電壓現(xiàn)場可編程門陣列FPGA（Kintex-7 325tFFG900）7：接收ADC的數(shù)字化數(shù)據(jù)，判選后打包發(fā)送數(shù)據(jù)5、工作進展由于芯片的流片周期較長，該芯片預(yù)計將在2022年4月完成樣片流片。在樣片流片完成之前，為了驗證基于SCA波形采樣方案的合理性和可行性，使用瑞士保羅謝勒研究所(Paul Scherrer Institute, PSI)研制的DRS4設(shè)計了評估樣板，該設(shè)計也可作為備用方案。85

7、、工作進展圖1.固有偏移量圖4.正弦波采樣結(jié)果圖5.正弦波采樣修正后的結(jié)果圖2.修正后的基線圖3.通道1采樣單元1的線性擬合結(jié)果各個采樣單元存在一個固有偏移，如圖1所示0電壓輸入的采樣值減去固有偏移，如圖2所示各個采樣單元存在一個放大倍數(shù)，將放大倍數(shù)和固有偏移兩個變量在線性擬合中表示，如圖3所示正弦波輸入后采樣得到的原始結(jié)果如圖4所示原始數(shù)據(jù)經(jīng)過線性擬合值的修正后，如圖5所示96、工作計劃2020.09-2022.04 調(diào)研了多個伽馬源觀測望遠鏡讀出電子學(xué)方案，在調(diào)研的基礎(chǔ)上，基于DRS4開關(guān)電容陣列設(shè)計了評估樣板。完成評估樣板的調(diào)試，驗證設(shè)計的合理性及可行性。2022.04-2022.09

8、在評估樣板的調(diào)試基礎(chǔ)上，采用高能所電子學(xué)組研制的ASIC完成第一版讀出原型機的設(shè)計，并且完成原型機的調(diào)試。2022.09-2024.01 在原型機調(diào)試的基礎(chǔ)上，完成超高能伽馬源觀測望遠鏡讀出電子學(xué)的研制、調(diào)試、改進和最終測試。 2024.01-2024.04 完成博士畢業(yè)論文的撰寫。107、參考文獻1 Cao, Z., Aharonian, F.A., An, Q.et al.Ultrahigh-energy photons up to 1.4 petaelectronvolts from 12 -ray Galactic sources.Nature594,3336 (2021). 2 Ha

9、ys, V.C. (2007). VERITAS Data Acquisition.arXiv: Astrophysics.3 H. Bartko, F. Goebel, R. Mirzoyan, W. Pimpl, M. Teshima,Tests of a prototype multiplexed fiber-optic ultra-fast FADC data acquisition system for the MAGIC telescope,Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A.4 J. Alek

10、si, S. Ansoldi. et al. The major upgrade of the MAGIC telescopes, Part I: The hardware improvements and the commissioning of the system,Astroparticle Physics.5 9 Channel, 5 GSPS Switched Capacitor Array, https:/www.psi.ch/sites/default/files/2020-08/DRS4_rev09_2.pdf6 Octal, 12-Bit, 40/50/65 MSPS Serial L