【摘要】：宇宙線是從宇宙空間到達(dá)地球的高能粒子,主要成分包括帶電粒子,伽瑪光子以及中微子。宇宙線起源于各類天體的演化和高能活動,在傳播過程中會受到各種星際介質(zhì)以及電磁場的影響。對宇宙線進(jìn)行研究可以幫助理解高能粒子的特性,驗(yàn)證粒子理論,甚至發(fā)現(xiàn)新粒子。另一方面研究宇宙線及其起源問題可以幫助我們了解宇宙的起源,發(fā)展和演化。伽瑪光子作為中性粒子,不易受磁場的干擾而改變傳播方向。探測伽瑪射線是研究宇宙線起源的重要手段,為此我國科學(xué)家提出了建設(shè)大型高海拔空氣簇射觀測站(Large High Altitude Air Shower Observatory,LHAASO)的計劃。LHAASO海拔四千多米,包含多個子探測器,分別是廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列,μ子探測器,電磁粒子探測器,水切倫科夫探測器陣列(Water Cherenkov Detector Array,WCDA)。其中WCDA包含三個水池,占地約80000平方米,其間分布著3120個光電倍增管(Photomultiplier Tube,PMT)。WCDA讀出電子學(xué)采用分布式的前端數(shù)字化構(gòu)架,前端電子學(xué)模塊(Front End Electronic,FEE)在水池上方就近PMT放置,直接對PMT信號進(jìn)行電荷和時間的測量,完成數(shù)字化,此方案避免了長電纜傳輸帶來的衰減,噪聲和干擾,減少了高質(zhì)量長電纜帶來的成本。相應(yīng)地則要求FEE將數(shù)據(jù)結(jié)果經(jīng)400～500米的距離傳輸至后端數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)(DataAcquisition,DAQ)。為保證信號長距傳輸?shù)馁|(zhì)量,在WCDA電子學(xué)中使用光纖進(jìn)行信號傳輸,并將命令、數(shù)據(jù)和時鐘融合在一個光纖上進(jìn)行混合傳輸。LHAASO位于高原上,環(huán)境惡劣,四季溫差較大,電子學(xué)及光纖所處環(huán)境都無溫度控制的條件,考慮到WCDA對于時間測量精度的需求,則要求在大面積空間范圍以及變溫環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高精度的時鐘相位自動同步與對齊,這是WCDA讀出電子學(xué)的一個關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)計難點(diǎn)。在目前此領(lǐng)域的研究中,White Rabbit(WR)技術(shù)是一個比較好的適用于大尺度空間下的時鐘同步方法,然而其精度只能保證在亞納秒水平上,在國內(nèi)外和本人所在實(shí)驗(yàn)室以前的工作中,并未系統(tǒng)解決電子學(xué)和光纖路徑延時隨溫度變化情況下的問題,或者提出基于溫度傳感器實(shí)時測試環(huán)境溫度配合查找表實(shí)現(xiàn)相位補(bǔ)償。本論文旨在系統(tǒng)研究整個時鐘傳輸系統(tǒng),包括光纖及電子學(xué)變溫條件下延時的特性,并提出基于延時增量分配方法來實(shí)現(xiàn)時鐘相位高精度自動相位同步,而無需使用溫度傳感器等外圍器件,簡化了系統(tǒng)的復(fù)雜度,提升了其可靠性和靈活性。為保證整個系統(tǒng)相位同步的精度,本論文還對FEE調(diào)相電路的實(shí)現(xiàn)方法展開了研究。此外,WCDA電子學(xué)采用無硬件觸發(fā)的數(shù)據(jù)獲取方式,即FEE需進(jìn)行全數(shù)據(jù)讀出,然后使用軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行觸發(fā)判選,這樣可以增加數(shù)據(jù)分析的靈活性,但相應(yīng)地對FEE數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群涂煽啃蕴岢隽颂魬?zhàn)。為此,WCDA讀出電子學(xué)要求進(jìn)行TCP/IP協(xié)議的高速數(shù)據(jù)封裝。根據(jù)整個LHAASO數(shù)據(jù)及時鐘的總體考慮,要求統(tǒng)一使用WR交換機(jī)作為時鐘及數(shù)據(jù)的匯總節(jié)點(diǎn),為此,本論文研究中還需要將自定義的時鐘相位同步電路、TCP/IP封裝邏輯和WR標(biāo)準(zhǔn)相兼容,這也是本論文中的一個重要工作。論文的結(jié)構(gòu)如下:第一章主要介紹了宇宙線研究的歷史,現(xiàn)狀以及宇宙線探測方法;然后介紹了 LHAASO實(shí)驗(yàn)及其科學(xué)目標(biāo),描述了 WCDA的讀出電子學(xué)指標(biāo)和總體架構(gòu),特別是對于時鐘和數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊�。第二章對一些大�?guī)模物理實(shí)驗(yàn)中的時鐘和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)進(jìn)行了調(diào)研。這些實(shí)驗(yàn)采用的時鐘和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),為WCDA時鐘與數(shù)據(jù)傳輸方案提供了很好的參考。第三章主要分為兩個部分,第一是高精度時鐘相位同步技術(shù)的研究,第二是基于TCP/IP的高速數(shù)據(jù)傳輸方法的研究。為了滿足WCDA讀出電子學(xué)的要求,需要在大尺度空間范圍以及變溫環(huán)境下實(shí)現(xiàn)時鐘相位的同步,同時還需要在前端FEE上實(shí)現(xiàn)基于TCP/IP的高速數(shù)據(jù)傳輸。最后將兩者融合到一起,基于同一光纖進(jìn)融合傳輸。第四章主要介紹了硬件電子學(xué)的實(shí)現(xiàn),對硬件電路以及邏輯功能進(jìn)行了詳細(xì)描述。第五章對時鐘同步和數(shù)據(jù)傳輸電子學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了測試。時鐘同步性能測試方面,首先進(jìn)行了時鐘抖動性能的測試,然后分別使用單層及多層WR交換機(jī),在常溫與變溫兩種環(huán)境下進(jìn)行了同步性能測試。在數(shù)據(jù)傳輸測試方面,分別進(jìn)行了單個FEE及多個FEE同時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)率測試以及誤碼率測試。最后一章總結(jié)了本論文的現(xiàn)有工作以及對下一步的工作方向進(jìn)行了展望。
[Abstract]:Cosmic rays are energetic particles that arrive at Earth from space. The main components of cosmic rays include charged particles, gamma photons and neutrinos. Cosmic rays originate from the evolution and energetic activities of various celestial bodies and are influenced by various interstellar media and electromagnetic fields during their propagation. On the other hand, the study of cosmic rays and their origins can help us understand the origin, development and evolution of the universe. As a neutral particle, gamma photons are not susceptible to the interference of magnetic field to change the direction of propagation. A plan to build a large high altitude air Shower Observatory (LHAASO) has been proposed. The LHAASO is more than 4,000 meters above sea level and consists of several sub-detectors, namely, a wide-angle Cherenkov telescope array, a muon detector, an electromagnetic particle detector, and a water Cherenkov Detecto detector array. WCDA consists of three pools, covering an area of about 80,000 square meters, in which 3120 photomultiplier tubes (PMTs) are distributed. The scheme avoids the attenuation, noise and interference caused by long cable transmission, and reduces the cost of high quality long cable. Accordingly, FEE is required to transmit the data results through a distance of 400-500 meters to the back-end data acquisition system (DAQ). In CDA electronics, optical fibers are used to transmit signals, and commands, data, and clocks are fused into a single fiber for hybrid transmission. LHAASO is located on a plateau with a harsh environment, a large temperature difference in the four seasons, and no temperature control conditions are available for electronics and optical fibers. It is a key technology and design difficulty in WCDA readout electronics to realize high precision clock phase synchronization and alignment in space range and variable temperature environment.White Rabbit (WR) technology is a good clock synchronization method for large scale space,but its precision can only be guaranteed. At the sub-nanosecond level, there is no systematic solution to the problem of electronics and fiber path delay varying with temperature in the previous work at home and abroad and in my laboratory, or the phase compensation based on temperature sensor real-time test environment temperature matching look-up table is proposed. In order to ensure the accuracy of phase synchronization of the whole system, a method based on delayed incremental allocation is proposed to realize high precision automatic phase synchronization without the use of temperature sensors and other peripheral devices. In addition, WCDA electronics uses a data acquisition method without hardware trigger, that is, FEE needs to read out all data, and then use software to trigger the data selection, which can increase the flexibility of data analysis, but the speed and reliability of FEE data transmission are improved accordingly. For this reason, WCDA readout electronics requires high-speed data encapsulation of TCP/IP protocol. According to the overall consideration of LHAASO data and clock, WR switch is required to be used as the aggregation node of clock and data. For this reason, this paper also needs to study the custom clock phase synchronization circuit, TCP/IP encapsulation logic and WR. The structure of this paper is as follows: Chapter 1 mainly introduces the history, current situation and detection methods of cosmic rays; then introduces the LHAASO experiment and its scientific objectives, describes the readout electronics index and overall structure of WCDA, especially for clock and data transmission. Chapter 2 investigates clock and data transmission techniques in some large-scale physical experiments. The clock and data transmission techniques used in these experiments provide a good reference for WCDA clock and data transmission schemes. In order to meet the requirements of WCDA readout electronics, it is necessary to synchronize the clock phase in large-scale space and in variable temperature environment, and to realize high-speed data transmission based on TCP/IP in front-end FEE. Chapter 4 mainly introduces the realization of hardware electronics, and describes the hardware circuit and logic function in detail. Chapter 5 tests the clock synchronization and data transmission electronics system. In the aspect of clock synchronization performance test, the clock jitter performance is tested first, and then the single-layer and multi-layer WR are used to intersect. In the aspect of data transmission test, data rate test and bit error rate test of single FEE and multiple FEEs are carried out respectively. Finally, the existing work of this paper is summarized and the future work direction is prospected.
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：O572.1

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本文編號：2218202