【摘要】：暗物質(zhì)探測在當(dāng)代粒子物理及天體物理領(lǐng)域是一項很熱門的研究內(nèi)容。由中國科學(xué)院空間科技先導(dǎo)專項支持的空間暗物質(zhì)探測項目,將建造和發(fā)射科學(xué)衛(wèi)星來尋找暗物質(zhì)粒子的存在證據(jù),進(jìn)而開展空間暗物質(zhì)研究。在該衛(wèi)星中,中國科學(xué)院近代物理研究所承擔(dān)研制一種新型的塑料閃爍體陣列探測器。作為探測衛(wèi)星的重要分系統(tǒng)之一,需要完成近地空間高能粒子束中光子和電子的區(qū)分以及質(zhì)子數(shù)Z=1~20的粒子鑒別。為了實現(xiàn)任務(wù)需求,本論文課題開展了該陣列探測器前端讀出系統(tǒng)的設(shè)計與研究工作。論文重點討論了該探測器的前端電子學(xué)硬件結(jié)構(gòu)、FPGA控制邏輯的設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)問題;針對低功耗、高可靠性等諸多苛刻要求,探討了解決方法與對策;論文還對地面檢測驗證系統(tǒng)以及試驗與測試等問題進(jìn)行了較詳細(xì)的介紹。該新型塑閃陣列探測器前端讀出電子學(xué)系統(tǒng)主要包括4塊前端讀出電子學(xué)電路(FEE),最小應(yīng)用系統(tǒng)為360個輸入通道,最多可擴(kuò)展到512個輸入通道。每塊FEE主要基于先進(jìn)的電荷測量電路和高性能FPGA構(gòu)成。其中電荷測量電路采用了專用集成電路(ASIC)芯片VA32HDR14.2和16位數(shù)字化芯片AD976A,它們在FPGA的控制下實現(xiàn)對探測器輸出信號的采樣、處理、保持、數(shù)字化和緩存;FPGA則采用美國Actel公司生產(chǎn)的宇航級芯片,完成對電荷測量電路以及FEE板內(nèi)其他功能電路的控制和狀態(tài)監(jiān)控。該前端電子學(xué)系統(tǒng)具有低功耗、模塊化、便于擴(kuò)展、通用性強(qiáng)等特點。該電路具有較好的可移植性和可擴(kuò)展性,易于復(fù)制構(gòu)建大型多通道前端讀出系統(tǒng)。它具有較完善的電路功能和較強(qiáng)的自我保護(hù)能力,可靠性高,不僅可用于空間粒子探測器信號的處理,還可用于地面粒子物理實驗探測器信號的處理。該論文工作中對塑閃FEE讀出系統(tǒng)進(jìn)行大量的確認(rèn)測試,主要包括:實驗室環(huán)境下的FPGA仿真測試、電子學(xué)測試和實驗室環(huán)境下的探測器聯(lián)調(diào)測試。前者可測試電子學(xué)系統(tǒng)的讀出功能及其線性、噪聲、穩(wěn)定性、串?dāng)_等指標(biāo);后者通過探測器系統(tǒng)的自標(biāo)定以及宇宙線測試,來評估系統(tǒng)的整體性能和能否實現(xiàn)預(yù)期的科學(xué)目標(biāo)。實驗結(jié)果表明,目前的讀出系統(tǒng)方案總體上可以滿足該陣列探測器系統(tǒng)的讀出需求。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院（近代物理研究所）
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：P172;P145.9
【圖文】：

1.1.1 暗物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的探測在當(dāng)代粒子物理及天體物理領(lǐng)域是一個很熱門的研究課題[1]。早在 世紀(jì) 30 年代，天文學(xué)家們在天文觀測中發(fā)現(xiàn)了可見物體運動規(guī)律不滿足引力理論的異現(xiàn)象。瑞士天文學(xué)家 Fritz Zwicky 在觀測距離地球約 2 億光年的 COMA 星系團(tuán)時，他定星系團(tuán)的演化過程中不會由于速度彌散太大而瓦解，并利用維里定理（Virial Theorem2]計算得到 COMA 可見星系成員在一個有限區(qū)域內(nèi)的總質(zhì)量僅是引力質(zhì)量的 1/500，于星系團(tuán)中的星系具有極高的運動速度，其總的可見質(zhì)量不足以約束住星系成員。星團(tuán)的總質(zhì)量必須是可見質(zhì)量的 500 倍以上。也就是說，99%以上的質(zhì)量是不可見的，們只能通過引力感覺到它們的存在， Fritz Zwicky 由此提出“暗物質(zhì)”的概念[3]。但這一概念并沒有引起重視，直到 40 年后美國天文學(xué)家 Rubin & Ford[4]對漩渦星（dwarf spiral galaxy）旋轉(zhuǎn)曲線的詳細(xì)觀測使得“暗物質(zhì)”才得到天文學(xué)家的認(rèn)同[5]。

2 新型塑閃陣列探測器讀出系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)緩的旋轉(zhuǎn)曲線表明星系中有不能被直接觀測到，卻能通過引力效應(yīng)表現(xiàn)出來的物質(zhì)，即為暗物質(zhì)[7]。2006 年錢德拉 X-射線天文衛(wèi)星觀察到兩個星系團(tuán)的碰撞，如圖 1.2 所示[8]。左圖是哈勃望遠(yuǎn)鏡觀測到的子彈氣團(tuán)的光學(xué)成像，右圖是錢德拉 X-射線衛(wèi)星觀測到子彈氣團(tuán)的X 射線成像，兩個星系團(tuán)的質(zhì)量中心和熱氣體的輻射中心不重合，這一現(xiàn)象無法通過引力理論來解釋，只能引入暗物質(zhì)概念加以說明：在星團(tuán)碰撞的過程中，星系內(nèi)氣體由于摩擦阻力而相互粘滯，運動速度比較慢且主要分布在碰撞點附近，而暗物質(zhì)沒有粘滯，運動速度較快，熱氣體和暗物質(zhì)在空間上分離造成了熱氣體的輻射中心和星系團(tuán)的質(zhì)量中心不重合[9]。

[9]。圖 1.2 星系團(tuán)碰撞形成的子彈氣團(tuán)[2]文學(xué)通過引力透鏡、宇宙中大尺度結(jié)構(gòu)的形成、微波背景輻射等質(zhì)。而根據(jù)ΛCDM 模型，由普朗克衛(wèi)星探測的數(shù)據(jù)得到：整個宇宙物質(zhì)占 4.9%，而暗物質(zhì)則占 26.8%，還有 68.3%是暗能量（質(zhì)能示。

【參考文獻(xiàn)】

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2 張云龍;李冰;封常青;蔡先利;汪曉蓮;許咨宗;郭建華;蔡明生;胡一鳴;伍健;常進(jìn);;A high dynamic range readout unit for a calorimeter[J];中國物理C;2012年01期

3 唐志成;陳國明;;阿爾法磁譜儀實驗及其首個物理結(jié)果[J];科學(xué);2013年04期

4 張新民;Science評出2003年度十大科學(xué)成就:找到暗物質(zhì)和暗能量存在的新證據(jù)位居榜首[J];物理;2004年04期

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1 封常青;空間暗物質(zhì)探測衛(wèi)星量能器讀出電子學(xué)方法研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2011年

2 鄧愛民;高可靠長壽命產(chǎn)品可靠性技術(shù)研究[D];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2006年

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本文編號：2755093