廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列(Wide Field of View Cherenkov Telescope Array,WFCTA)是大型高海拔空氣簇射觀測(cè)站(Large High Altitude Air Shower Observatory,LHAASO)的主要探測(cè)器陣列之一,其物理目標(biāo)是完成30TeV到幾EeV的宇宙線能譜測(cè)量.望遠(yuǎn)鏡讀出電子學(xué)系統(tǒng)包括1 024個(gè)通道,需要處理的信號(hào)既有脈寬為幾十ns的切倫科夫信號(hào),又有脈寬為μs的熒光信號(hào).本文詳細(xì)介紹了望遠(yuǎn)鏡讀出電子學(xué)系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì),為了減少數(shù)據(jù)量,設(shè)計(jì)了在線觸發(fā)的事例篩選架構(gòu):在子模塊電子學(xué)上先進(jìn)行第一級(jí)硬件觸發(fā),再在觸發(fā)電路上實(shí)現(xiàn)事例觸發(fā).同時(shí)該電子學(xué)系統(tǒng)采用了4點(diǎn)壓縮的方式獲取波形數(shù)據(jù),覆蓋波形寬度為2.24μs.實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果表明:讀出電子學(xué)系統(tǒng)可以正確獲取信號(hào)波形,電荷測(cè)量的動(dòng)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(jì)相符,電荷分辨率在10P.E.時(shí)優(yōu)于20%,在32 000P.E.時(shí)優(yōu)于5%,相... 

【文章來(lái)源】：四川大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2020年06期 北大核心

【文章頁(yè)數(shù)】：6 頁(yè)

【部分圖文】：

WFCTA子模塊讀出電子學(xué)框架

RIGOL(DG4102）信號(hào)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(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬電路放大后進(jìn)入數(shù)字電路，進(jìn)行波形獲�。覀兛梢詮墨@得的波形中計(jì)算出信號(hào)的電荷量，信號(hào)的電荷量與SiPM產(chǎn)生的光電子數(shù)目成正比．實(shí)驗(yàn)室中自行研制的扇出電路用來(lái)將該信號(hào)扇出到每一個(gè)子模塊，子模塊的數(shù)據(jù)將會(huì)被觸發(fā)電路接收并由WR交換機(jī)發(fā)送到上位機(jī)，使用Matlab對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理．子模塊一個(gè)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(gè)點(diǎn)都代表了4個(gè)ADC采樣點(diǎn)的和，每個(gè)ADC采樣點(diǎn)是12bit，不做壓縮時(shí)，4個(gè)采樣點(diǎn)總共48bit，進(jìn)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(gè)波形點(diǎn)組成，總共代表112個(gè)ADC采樣點(diǎn)，合計(jì)2.24μs.圖6 低增益通道波形

圖2 WFCTA子模塊讀出電子學(xué)框架每個(gè)子模塊的單道觸發(fā)模塊將會(huì)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(gè)FPGA(FPGA1-8）對(duì)單道觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行匯總，每個(gè)FPGA分別匯總8個(gè)子模塊傳來(lái)的單道觸發(fā)信息．由于進(jìn)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(duì)單道信息進(jìn)行匯總，把兩個(gè)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(duì)差分線用來(lái)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(huì)向觸發(fā)電路的FPGA1-8發(fā)送一次單道觸發(fā)信息，代表當(dāng)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(huì)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(hào)返回給64個(gè)子模塊，當(dāng)子模塊收到事例觸發(fā)信號(hào)后會(huì)耗時(shí)1.6μs對(duì)觸發(fā)標(biāo)志進(jìn)行解析．因此，子模塊從發(fā)出單道觸發(fā)信號(hào)再到接收事例觸發(fā)信號(hào)耗時(shí)4個(gè)1.6μs，合計(jì)6.4μs．由于觸發(fā)信號(hào)傳遞產(chǎn)生的延遲，子模塊上的先進(jìn)先出隊(duì)列（First in First Out,FIFO）至少需要可以容納4個(gè)事例，而子模塊上FPGA的資源足夠容納16個(gè)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(gè)事例的各通道數(shù)據(jù)都是固定長(zhǎng)度的，讀取固定長(zhǎng)度數(shù)據(jù)即可將同一個(gè)事例打包在一起，然后通過(guò)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(bǔ)償電路用來(lái)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(duì)狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，然后經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)發(fā)送模塊傳輸給觸發(fā)電路．

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



本文編號(hào)：2949462