大面积水契伦科夫探测器阵列读出电子学方法研究

大面积水契伦科夫探测器（WCDA）在宇宙线物理实验中将可能得到广泛应用，如未来我国的LHAASO、美国与墨西哥合作的HAWC等实验。尽管水契伦科夫探测器已经在国内外许多实验中得到应用，也有相应设计的读出电子学，但针对未来可能的方圆百米尺度的大面积WCDA读出方案在国内尚无研究，尤其数千通道的探测器信号需经百米以上传输，难以保证时间、电荷测量的精度和线性，可能制约物理目标实现；而相应的同步时钟扇出方案、高事例率情况下的触发、数据获取设计方法也需要特别考虑。我们提出围绕集总式或分布式的电子学布局结构开展研究，重点关注大尺度范围特点下的高精度时钟同步传输、高事例率的自触发数据获取、合适的时间及电荷测量手段选择等几个方面，分别进行研究设计，并互相结合，总结出一两套合适的大面积WCDA读出电子学设计方法，以期在未来的国内外相关实验中可以得到应用。

通过四年的研究，我们超额完成了原定目标：实现了单光电子至4000光电子的大动态范围高精度信号读出和测量、大尺度范围的高精度时钟、数据、命令融合传输和高事例率的无触发数据获取技术手段；并设计了两种原型系统供测试。.i.参考White Rabbit（WR）协议，设计了兼容WR 交换机的时钟调相和数据传输电路，测试结果表明，数据传输率大于300 Mbps, 时钟同步精度在-10℃~ 46℃的温度范围内好于100ps；.ii.设计并实现了无触发数据获取系统电子学和相应逻辑，进行了电子学系统和探测器联调验证；.iii.针对Hamamatsu R5912 PMT的打拿级、阳极读出方式，设计了数版前端读出电子学电路，设计了集成多PMT通道的原型系统，实现了高精度的电荷和时间测量。最终的AFE3.0电路电子学测试表明，S.PE的电荷测量精度好于10%，4000 PE的电荷测量精度好于1%，整个范围内的时间测量精度好于0.5 ns RMS；.iv.经对DRS4、CLC101等国外ASIC的测试，本研究的最后两年调整计划，增加自主研发ASIC的工作，开展了基于TOT技术、基于放大成形结合数字寻峰技术两种方法的ASIC设计、流片和测试工作，经测试表明，实现了电荷测量和定时甄别电路功能。实现了1~4000 倍范围电荷测量，电荷测量精度在整个动态范围内好于20%；在整个动态范围内时间精度好于500 ps。.v.分别设计了集总式、分布式的原型系统，在高能所、羊八井进行了探测器联调。最终确立了基于分布式、无触发数据获取和时钟传输方案，及放大成形和数字寻峰方法的前端电路的设计思路用于LHAASO。. 随着我国LHAASO （Large High Altitude Air Shower Observatory）在2015年12月29日正式立项，本项目的研究结果也获得了牵头单位的评审认可，将在其中9万平方米的水契伦科夫探测器（Water Cherenkov Detector Array，WCDA）超过3000个光电倍增管的探测器读出中得到应用。本基金资助的结果，体现了国家自然科学基金对基础科学前沿和我国大科学工程技术研究的导向和引领价值。