發(fā)布時間：2020-12-31 10:36

　　廣角切倫科夫望遠鏡陣列(Wide Field of View Cherenkov Telescope Array,WFCTA)是大型高海拔空氣簇射觀測站(Large High Altitude Air Shower Observatory,LHAASO)的主要探測器陣列之一,其物理目標是完成30TeV到幾EeV的宇宙線能譜測量.望遠鏡讀出電子學系統(tǒng)包括1 024個通道,需要處理的信號既有脈寬為幾十ns的切倫科夫信號,又有脈寬為μs的熒光信號.本文詳細介紹了望遠鏡讀出電子學系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計,為了減少數(shù)據(jù)量,設(shè)計了在線觸發(fā)的事例篩選架構(gòu):在子模塊電子學上先進行第一級硬件觸發(fā),再在觸發(fā)電路上實現(xiàn)事例觸發(fā).同時該電子學系統(tǒng)采用了4點壓縮的方式獲取波形數(shù)據(jù),覆蓋波形寬度為2.24μs.實驗室測試結(jié)果表明:讀出電子學系統(tǒng)可以正確獲取信號波形,電荷測量的動態(tài)范圍可以覆蓋10P.E.(Photon Electron)到32 143P.E.,高增益通道和低增益通道的重疊區(qū)從857P.E.到1 714P.E.,高低增益比值與設(shè)計相符,電荷分辨率在10P.E.時優(yōu)于20%,在32 000P.E.時優(yōu)于5%,相... 

【文章來源】：四川大學學報(自然科學版). 2020年06期 北大核心

【文章頁數(shù)】：6 頁

【部分圖文】：

WFCTA子模塊讀出電子學框架

RIGOL(DG4102）信號發(fā)生器產(chǎn)生半高寬為42ns的波形代替前置放大電路的輸出信號，該信號經(jīng)過模擬電路放大后進入數(shù)字電路，進行波形獲取．我們可以從獲得的波形中計算出信號的電荷量，信號的電荷量與SiPM產(chǎn)生的光電子數(shù)目成正比．實驗室中自行研制的扇出電路用來將該信號扇出到每一個子模塊，子模塊的數(shù)據(jù)將會被觸發(fā)電路接收并由WR交換機發(fā)送到上位機，使用Matlab對數(shù)據(jù)進行處理．子模塊一個通道的高低增益波形如圖5和圖6所示．為了在線壓縮數(shù)據(jù)量，波形的每一個點都代表了4個ADC采樣點的和，每個ADC采樣點是12bit，不做壓縮時，4個采樣點總共48bit，進行壓縮后僅占14bit，并且波形的電荷量和壓縮前是一樣的．圖中波形由28個波形點組成，總共代表112個ADC采樣點，合計2.24μs.圖6 低增益通道波形

圖2 WFCTA子模塊讀出電子學框架每個子模塊的單道觸發(fā)模塊將會把16bit的單道觸發(fā)信息串行發(fā)送給觸發(fā)電路，如圖3．觸發(fā)電路上使用8個FPGA(FPGA1-8）對單道觸發(fā)信號進行匯總，每個FPGA分別匯總8個子模塊傳來的單道觸發(fā)信息．由于進行事例觸發(fā)判選的FP-GA9plus與FPGA1-8之間的管腳有限，所以在FPGA1-8上對單道信息進行匯總，把兩個子模塊的單道信息合并為32 bit，再串行發(fā)送到FP-GA9plus上，這樣FPGA1-8與FPGA9plus將分別有4對差分線用來傳輸單道信息．單道信息的傳輸是流水線式的，子模塊每1.6μs會向觸發(fā)電路的FPGA1-8發(fā)送一次單道觸發(fā)信息，代表當前1.6μs的窗口內(nèi)單道是否觸發(fā)，F(xiàn)PGA1-8每1.6μs向FPGA9plus發(fā)送一次匯總后的單道觸發(fā)信息，F(xiàn)PGA9plus每1.6μs會判斷收到的1 024bit單道信息是否滿足事例觸發(fā)條件并產(chǎn)生事例觸發(fā)信號返回給64個子模塊，當子模塊收到事例觸發(fā)信號后會耗時1.6μs對觸發(fā)標志進行解析．因此，子模塊從發(fā)出單道觸發(fā)信號再到接收事例觸發(fā)信號耗時4個1.6μs，合計6.4μs．由于觸發(fā)信號傳遞產(chǎn)生的延遲，子模塊上的先進先出隊列（First in First Out,FIFO）至少需要可以容納4個事例，而子模塊上FPGA的資源足夠容納16個事例，可以滿足需求．如圖2所示，如果事例觸發(fā)，則子模塊中的事例獲取模塊將從數(shù)據(jù)緩存中取出事例數(shù)據(jù)存入FIFO中，在子模塊上同一個事例的各通道數(shù)據(jù)都是固定長度的，讀取固定長度數(shù)據(jù)即可將同一個事例打包在一起，然后通過數(shù)據(jù)發(fā)送模塊發(fā)送給觸發(fā)電路．子模塊的溫度偏壓補償電路用來獲取SiPM的溫度數(shù)據(jù)并為其設(shè)置高壓，SiPM的溫度和高壓等狀態(tài)數(shù)據(jù)將被發(fā)送到數(shù)字電路上，數(shù)字電路上使用FIFO對狀態(tài)數(shù)據(jù)進行緩存，然后經(jīng)過數(shù)據(jù)發(fā)送模塊傳輸給觸發(fā)電路．

【參考文獻】：
期刊論文
[1]LHAASO-WFCTA多通道數(shù)據(jù)高速傳輸方案設(shè)計[J]. 黃九余,申豐兆,周榮,楊朝文.  核電子學與探測技術(shù). 2016(12)
[2]LHAASO-WFCTA數(shù)字電路電源模塊設(shè)計[J]. 張進文,周榮,張京隆,楊朝文.  核電子學與探測技術(shù). 2015(09)
[3]A future project at tibet:the large high altitude air shower observatory(LHAASO)[J]. 曹臻.  中國物理C. 2010(02)



本文編號：2949462