超高能伽马源观测望远镜读出电子学的研制

1、博士论文开题报告学生：XXX导师：XXX时间：XXXX超高能伽马源观测望远镜读出电子学的研制报告目录1.选题背景2.调研方案3.研究目标4.设计方案5.工作进展6.工作计划7.参考文献231、选题背景LHAASO的超强灵敏度为寻找100TeV源提供了强有力的保证1其较弱的空间分辨率导致无法精确分辨出天体的空间结构为提高100TeV能段的空间分辨率建设大型超高能伽马源立体跟踪观测设备（Large Array of imaging atmospheric Cherenkov Telescopes，LACT）LACT由32台6米口径的中型切伦科夫望远镜组成 光学系统 SiPM相机 读出电子学系统中型

2、切伦科夫望远镜 数据获取系统 供电系统 望远镜支撑传动系统 慢控制系统读出电子学：完成波形采样和数据处理、数据传输 LACT在LHAASO站点的排布SiPM相机中844个像素布局单个像素构成4JUNO中使用的Flash ADC采样精度：12 bits连续采样波形功耗：800mW/ChannelSwitched Capacitor Array： Domino Ring Sampler (DRS)采样精度：11.5 bits功耗：17.5mW/Channel(2 GSPS)死时间：30ns*number of samplesDRS原理结构示意图2、调研方案高速波形数采样方案：精确测量电荷信息和时间

3、信息，最大限度的保留探测器输出信息，方便用于噪声的识别和剔除两种实现方式：1.基于并行 ADC实现高速采样和高速模数转换 2.基于开关电容阵列实现高速采样和低速模数转换JUNO采用的12位1GSPS高速采样高速模数转换系统 MAGIC I中的8位300MSPS高速采样低速模数转换系统3VERITAS采用的8位500MSPS高速采样高速模数转换系统2 MAGIC II中的10位2GSPS高速采样低速模数转换系统453、研究目标为了减少支撑系统的负担，需要把电子学整体放到前端探测器SiPM相机上电子学系统完成波形采样和模数转换后通过1根光纤将数据传输给后端计算机主要挑战：高海拔地区空气稀薄，散热条

4、件不好，过高的功耗将给前端探测器带来无法承担的热量研究目标：针对LACT目标，研制一套适合在高海拔环境下运行的高密度低功耗超高能伽马源观测望远镜读出电子学系统SiPM相机中844个像素布局参数名称参数数值动态范围5pe-8000pe单道触发率50 kHzthredshold=3.5pe事例率 （单台望远镜触发）1kHz，平均着火pixel：28电荷分辨率30%5pe，5%100pe相对偏差（非线性）5%时间分辨率10ns信号宽度底宽：40ns天空本底噪音晴朗无月夜35MHz threshold = 0.5 pe64、设计方案1.采用基于 SCA ASIC的波形采样方案通道数：16采样率：1GS

5、PSADC分辨率：12bits模拟带宽：360MHz读出时间：20s功耗：15mW/Channel2.高低增益分量程测量高增益量程测量5pe-500pe的小信号低增益量程测量80pe-8000pe的大信号SCA高速采样经过放大电路调制的信号，信号写入SCA的采样单元，如果没有触发信号到来，则进行循环覆盖式写入。如果触发判选逻辑判定为好事例，则SCA停止波形采样，ADC对SCA采样单元上存储的波形进行数字化处理，并将数字化后的波形采样信息存储在缓存器中，判断选择量程后，缓存器中存储的波形采样信息通过TCP网络协议传输给后端的计算机7全差分运放THS4541:单端转差分，调节共模，增加驱动能力开关

6、电容阵列DRS45:9通道开关电容阵列采样模数转换器AD92226：8通道ADC比较器ADCMP601:产生触发判选信号用于控制DRS4读写状态数模转换器DAC(LTC2600)：提供参考电压、刻度电压现场可编程门阵列FPGA（Kintex-7 325tFFG900）7：接收ADC的数字化数据，判选后打包发送数据5、工作进展由于芯片的流片周期较长，该芯片预计将在2022年4月完成样片流片。在样片流片完成之前，为了验证基于SCA波形采样方案的合理性和可行性，使用瑞士保罗谢勒研究所(Paul Scherrer Institute, PSI)研制的DRS4设计了评估样板，该设计也可作为备用方案。85

7、、工作进展图1.固有偏移量图4.正弦波采样结果图5.正弦波采样修正后的结果图2.修正后的基线图3.通道1采样单元1的线性拟合结果各个采样单元存在一个固有偏移，如图1所示0电压输入的采样值减去固有偏移，如图2所示各个采样单元存在一个放大倍数，将放大倍数和固有偏移两个变量在线性拟合中表示，如图3所示正弦波输入后采样得到的原始结果如图4所示原始数据经过线性拟合值的修正后，如图5所示96、工作计划2020.09-2022.04 调研了多个伽马源观测望远镜读出电子学方案，在调研的基础上，基于DRS4开关电容阵列设计了评估样板。完成评估样板的调试，验证设计的合理性及可行性。2022.04-2022.09

8、在评估样板的调试基础上，采用高能所电子学组研制的ASIC完成第一版读出原型机的设计，并且完成原型机的调试。2022.09-2024.01 在原型机调试的基础上，完成超高能伽马源观测望远镜读出电子学的研制、调试、改进和最终测试。 2024.01-2024.04 完成博士毕业论文的撰写。107、参考文献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