LHAASO KM2A 电子学初步设计

2010 年 8 月 17日

中国科学院高能物理研究所

常劲帆

“ ”中国科学院 核探测技术与核电子学 重点实验室

报告内容

• 背景介绍• 面向单元探测器测试和高能所小阵列读出

电子学进展• 面向大阵列读出电子学预研• 总结

2002年美国国家研究委员会2004年美国国家科学技术委员会确定的研究前沿 :

《连接夸克和宇宙：新世纪 11个科学问题》

宇宙线起源与加速机制

暗物质探索

极高能条件下光与物质的理论

LHAASO

• LHAASO 计划的实施将挑战当今 11 个科学难题之一的“高能宇宙线起源”之谜，在 γ天文领域实现突破

• 核心科学目标：探索高能宇宙线起源以及相关宇宙演化、高能天体演化和暗物质的研究

• 建设目标：最高高能灵敏度最灵敏的 TeV 巡天扫描望远镜宇宙线分成份能谱的精确测量

LHAASO

Large High Altitude Air Shower Observatory

大型高海拔空气簇射观测站

Large High Altitude Air Shower Observatory

地面粒子阵列μ 探测器阵列

水 C阵列

LHAASO

广角 C阵列和簇射芯探测器

KM2A 250mm

250m

m

20mm

1.2m

1m

XP2012

KM2A 电子学设计要求

GEDA GMDA

动态范围 1-3000 粒子 1-3000 粒子能量分辨 <25%@1 粒子

<5%@3000 粒子

<25%@1 粒子<5%@3000 粒

子时间分辨 2ns 10ns

阈值 0.25 粒子 0.25 粒子

设计方案

• 电荷测量方案– 电荷积分方案– 高速波形采样方案

• 时间测量方案– 基于 FPGA 的 TDC 方案– 高速波形采样时间提取方案

• 大阵列时间刻度方案

单元探测器电荷时间测量方案

TDC measurement in Calibration

0

0. 1

0. 2

0. 3

0. 4

0. 5

0. 6

0 10000 20000 30000 40000 50000 60000DAC value (Input pulse)

TD

C R

MS

CH1CH2CH3CH4CH5CH6CH7CH8CH9CH10CH11CH12CH13CH14CH15CH16

0. 0

500. 0

1000. 0

1500. 0

2000. 0

2500. 0

3000. 0

3500. 0

4000. 0

0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000

CH0CH1CH2CH3CH4CH5CH6CH7CH8CH9CH10CH11CH12CH13CH14CH15

CAL_DAC value

AD

C P

EA

K

VA

LU

E

单元探测器测试结果

电子探测器的时间分辨测量图 电子探测器的单 muon幅度测试谱（光阴极产生的光电子约为 10个）

工程小阵列测试

电子探测器小阵列的布设（局部）图

图 当前实验测试的结果

图 簇射事例的平面拟合

实验结果表明：当前小阵列的运行基本正常，但各方面的调试与完善工作仍在紧张进行，以便为不久后在羊八井的运行做好充足的准备。

工程小阵列测试结果

大阵列排布方式

单通道事例率：10KHz事例长度： 100bit带宽：1000Kbps×20 ＝20Mbps 风险：事例率过高

Electronics Detector PMT

Cable

Local station FEB

Center StationDAQ,Trigger,GPS

Q,T

Q,T

Q,T

Q,T

GPS

波形采样方案

• FADC 芯片选择：– E2V AT84AS001– 单通道， 12bit ， 500Msps 采样频率– 功耗 2.4W– ENOB 10bit

波形采样方案

绝对时间刻度方案

总结

• 单元探测器和小阵列探测器读出电子学插件工作正常，能够满足羊八井工程阵列需求

• 面向大阵列的前端数字化插件（ FDB ）和中心站数据读出插件（ CRB ）设计工作正在展开

• 绝对时间刻度方案需要试验验证，研制其他时间刻度方法

• 羊八井特殊自然环境下系统可靠性研究

谢谢！