LHAASO水切伦科夫探测器阵列时钟原型系统.docxVIP

NuclearElectronics＆DetectionTechnology2013年4月Apr．2013水切伦科夫探测器阵列时钟原型系统LHAASO李成1，2，刘树彬1，2，商林峰1，2，曹平1，2，安琪1，2核探测与核电子学国家重点实验室，中国科学技术大学近代物理系，合肥230026;2．物理电子学安徽省重点实验室，合肥230026)(1．摘要:介绍了LHAASOWCDA读出电子学时钟原型系统的设计，分析了该时钟系统的设计原理，介绍了测试方法和测试结果。该原型系统基于精简的WhiteＲabbitProject原理设计，主要包括时钟源插件、时钟发送插件和时钟接收模块3部分。对该原型系统的测试结果表明，时钟接收模块上两时钟通道之间的时钟偏差可以调整到＜80ps，时钟抖动＜40ps，可满足LHAASOWCDA读出电子学设计需求。关键词:大型高海拔空气簇射观测站水契伦科夫探测器;时钟数据传输方法;时钟偏差;时钟抖动中图分类号:文献标志码:文章编号:0258-0934(2013)04-0410-07TL824A大型高海拔空气簇射观测站(LargeHighAltitudeAirShowerObservatory，LHAASO)是计划在西藏羊八井修建的一个面积约为1km2的大型空气簇射粒子探测器阵列，其中包括水契伦科夫探测器(WaterCherenkovDetectorArray，度，要求为系统提供高质量的时钟信号，例如各通道前端电子学(FrontEndElectronics，FEE)之间的时钟偏差(skew)应＜100ps，时钟抖动(jitter)也应＜100ps。由于LHAASOWCDA分布面积大，如果使用传统的后端数字化数据获取方式，则PMT输出的模拟信号需经数百米长距离从水池传输到后方大厅内的电子学机箱才能被数字化，这必将造成探测器产生的高、快速模拟信号衰减和畸变。美国长基线中微子实验的预先研究表明:经过150mＲG58电缆传输后的信号被衰减超过9db［4］。与长基线中微子实验相比，LHAASOWCDA的分布范围更广，并且通道数更多。如果采用传统的后端数字化方法，将降WCDA)。WCDA面积90000m2，用置于4m水深处的3600个光电倍增管(PhotomultiplierTube，PMT)来捕捉宇宙线与地球大气层作用产生的广延大气簇射粒子在水中产生的契伦科夫光［1］。为了确定宇宙线原初粒子的能量及运动方向，需要记录广延大气簇射粒子产生的契伦科夫光强度和到达时间，因此要对PMT输出信号进行电荷和时间测量［2－3］。LHAASOWCDA电荷测量的动态范围为单光电子到4000光电子，而其时间测量的分辨率要求达到1ns。为实现这样的时间测量精低电荷及时间测量的精度。因此LHAASOWCDA拟采用前端数字化设计:PMT输出的模拟信号在出水后即进行数字化并向大厅传输。如此则需要向水池范围的所有前端电子学通道提供精确的同步时钟。在满足时钟抖动极小的同时，还必须保证所有通道的时钟之间相位稳定，不会随温度等情况产生变化。考虑到成本等因素，后端大厅内的高精度时钟通过光纤扇出到前端，同时还可以利用光收稿日期:2012－03－26基金项目:国家自然科学基金11005107)和中国科学院知识创新工程项目(KJCX2－YW－N27)资助。作者简介:李成(1982－)，男，内蒙人，博士研究生，主要从事高速数据获取及信号测量技术的研究。410纤的高带宽传输配置命令及收集前端电子学的科学数据。但是光纤具有较大的温度系数(35ps/(km·℃))，这会导致前端电子学各通道时钟相位随温度产生变化，在实验运行中必须实时监控和校准。精简和改进的White原理WhiteＲabbitProject结构和原理1ＲabbitProject1.1Project(WＲ)主要包括WＲWhiteＲabbitnode［7］。WＲMaster在ANTAＲES(AstronomyMaster、WＲswitch和WＲwithaNeutrinoTelescopeandAbyssenvironmentalＲESearch)中微子望远镜实验中对于传输延迟使用了回声校准的方法，但是这种校准方法的分辨率只能达到ns量级［5］，不能满足LHAASOWCDA的实验要求。在北京谱仪III的飞行时间电子学的时钟系统中，从位于加速器控制大厅的时钟源到实验大厅的传输中，使用了专用的80m稳相光纤，以避免光纤传输延时的温漂［6］。这种稳相光纤具有非常好的温度稳定性，对于80m该稳相光纤，当温度从10℃～30℃变化时，由温度带来的光纤传输延时的漂移仅有3．2ps。但是从外部得到系统时钟后，通过下行端口将这个系统时钟发送到WＲswitch。WＲswitch将该时钟继续向下一级的WＲswitch传输