《表1 读出电子学主要指标》

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《LHAASO-WFCTA读出电子学系统架构设计》

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大型高海拔宇宙线观测站（Large High Altitude Air Shower Observatory，LHAASO）是我国“十二五”规划中的重大科学项目，该观测站站址修建在四川省甘孜州稻城县的海子山上，平均海拔4 400m[1-2].LHAASO使用了复合探测的设计方案，由多种探测器阵列共同构成，包括电磁粒子探测器阵列，水切伦科夫探测器阵列，广角切伦科夫望远镜阵列[3-4]．广角切伦科夫望远镜阵列（wide field of view Cherenkov telescope array，WFCTA）用来探测大气簇射时产生的切伦科夫光和荧光，使用了可移动的设计，方便根据探测需求进行不同的布局，每台望远镜有1 024个硅光电倍增管（silicon photomultiplier，SiPM），视角为0.5°．为了读出1 024个通道的数据，我们需要设计一套读出电子学系统，目前已有的读出电子学方案，如LHAASO的电磁粒子探测器阵列（ED）或者水切伦科夫探测器阵列（WCDA），采用无触发的方式[5-6]，直接对每个通道的时间信息和电荷信息进行测量，然后把各通道的数据包上传到服务器，离线进行事例分析．而望远镜不仅仅需要获得事例的时间和电荷信息，各个通道的波形信息包含了宇宙线物理的相关信息，也需要被记录下来．按单通道数据量1 024bit，且单道触发率为10kHz计算，1 024通道就需要10Gbit/s的带宽才可以将数据全部传出．因此，ED或WCDA的读出电子学设计对WFCTA望远镜来说并不适用，需要开发一套新的架构，实现事例数据的在线挑选．设计思路为：采用前端电子学联合后端触发电路的方式，在前端电子学上实现第一级触发：判别着火通道，然后在触发电路上实现第二级触发：根据着火通道的位置判别是否事例触发．与无触发的方式相比，可以通过对事例的在线判别，过滤掉噪声数据，减少数据量，并且前端电子学只需要将着火通道的位置信息发送到触发电路上，而不用将通道的全部数据都发送到触发电路上进行事例判别，这样又减少了前端电子学和触发电路之间的数据量，使得系统的带宽得到充分利用．为了兼容记录切伦科夫信号和荧光信号的波形，考虑到荧光信号是μs量级，在波形获取时使用4点压缩方式，将模数转换器（analog to digital convertor，ADC）采样点的相邻4点累加起来作为波形点，这样每个事例波形包含28个波形点，覆盖2.24μs的宽度．根据WFCTA项目需求，读出电子学的主要指标如表1所示．