Simulations et développement d’électronique pour l’expérience LHAASO

Simulations and electronics development for the LHAASO experiment

• Auteur / Autrice : Yingtao Chen
• Direction : Tiina Suomijärvi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 23/07/2015
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, Noyaux, Cosmos (Paris ; 2009-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de physique nucléaire (Orsay, Essonne ; 1956-2019)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Tiina Suomijärvi, Bruno Espagnon, Rémi Cornat, Zhen Cao, Christophe de La Taille, Li Zhang Crowther
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bruno Espagnon, Rémi Cornat, Zhen Cao

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayonnement cosmique

Photomultiplicateurs

Circuits intégrés à la demande

Mots clés libres

Electronique front-end

ASIC

PMT

WFCTA

LHAASO

Front-end electronics

ASIC

PMT

WFCTA

LHAASO

Résumé

Le travail de thèse porte sur l'étude de l'électronique front-end pour le télescope WFCTA (Wide Field of View Cherenkov Telescope Array,) qui est l'un des détecteurs de l’observatoire LHAASO (Large High Altitude Air shower Observatory,). Le manuscrit de thèse couvre six thèmes principaux allant de la simulation physique au développement d’un nouveau système d'acquisition de données.Tout d'abord, les principes de la physique des rayons cosmiques et de l'expérience LHAASO sont présentés donnant ainsi une introduction sur les sujets discutés dans la thèse. Des simulations ont été faites dans le but de comprendre la propagation des rayons cosmiques dans l'atmosphère et d’en déduire les caractéristiques du signal d'entrée de l'électronique. Ces simulations ont également été utilisées pour approfondir la compréhension des spécifications du télescope et de les vérifier.Un nouveau modèle de PMT a été élaboré pour être utilisé dans les simulations. Ce nouveau modèle est comparé aux autres modèles de PMT. Des modèles d’électronique pour les conceptions basées sur les composants électroniques classiques et sur l’ASIC (Application-specific Integrated Circuit) sont construites et étudiées. Ces deux solutions remplissent les spécifications du télescope WFCTA. Néanmoins, compte tenu du développement de la micro-électronique, il est proposé que l’électronique des télescopes de haute performance devrait être basée sur l’ASIC.L'ASIC sélectionné, PARISROC 2, est évalué en utilisant des bancs de tests existants. Les résultats montrent que ces bancs de tests ne peuvent pas démontrer pleinement la véritable performance de l’ASIC. Par conséquent, une carte électronique front-end prototype qui est basée sur ASIC a été conçu et fabriqué. Plusieurs modifications ont été apportées pour améliorer la performance de la nouvelle carte. Une description détaillée de ce développement est présentée dans la thèse. Un nouveau système d’acquisition de données a également été conçu pour améliorer la capacité de lecture de données dans le banc de tests de la carte front-end.Enfin, une série de tests ont été effectués pour vérifier le concept de design et pour évaluer la performance de la carte front-end. Ces résultats montrent la bonne performance générale de l'ASIC PARISROC 2 et que la carte front-end répond globalement aux spécifications de la WFCTA. Basé sur les résultats de ce travail de thèse, un nouveau ASIC, mieux adapté pour les télescopes de type WFCTA, a été conçu et est actuellement en cours de fabrication.

This thesis is focused on the study of the front-end electronics for the wide field of view Cherenkov telescope array (WFCTA), which is one of the large high altitude air shower observatory (LHAASO) detectors. The thesis manuscript covers six main topics going from the physics simulations to the implementation of a new data acquisition system. The physics of cosmic rays and the LHAASO experiment is presented giving foundation for discussion of the main topics of the thesis. Simulations were performed to understand the propagation of cosmic rays in the atmosphere and to determine the characteristics of the input signal of the electronics. These simulations allow also understand the specifications of the telescope and to verify them. A new PMT model was successfully built for both physical and electronic simulations. This new model is compared to other models and its performance is evaluated. Behavior models for the designs based on the classical electronics and application-specific integrated circuit (ASIC) were built and studied. It is shown that both solutions fit the requirements of the telescope. However, considering the development of the micro-electronics, it is proposed that the electronics of the high-performance telescopes should be based on ASIC. The selected ASIC, PARISROC 2, is evaluated by using the existing application boards. The results showed that the designs considered could not fully demonstrate the real performance of the chip. Therefore, a prototype front-end electronics board, based on PARISROC 2, was designed, implemented and fabricated. Several modifications and enhancements were made to improve the performance of the new design. A detailed description of the development is presented and discussed in the manuscript. Furthermore, a new data acquisition system was developed to enhance the readout capabilities in the front-end test bench.Finally, a series of tests were performed to verify the concept of the design and to evaluate the front-end board. The results show the good general performance of the PARISROC 2 and that this design globally meets the specifications of the WFCTA. Based on the results of this thesis work, a new ASIC chip, better adapted for telescopes such as WFCTA, has been designed and is currently being fabricated.