μ子是標準模型中12個基本粒子之一,它最早是在1936年被加州理工學院的Carl D.Anderson和Seth Neddermeyer在實驗中發(fā)現(xiàn)。μ子是一種典型的粒子探針,它可以提取材料中的微觀磁性或電子環(huán)境等特征,而這些特征往往是其他方式很難獲得或者說不可能獲得的特征。將自旋極化的μ子作為探針注入到物質(zhì)材料中,對其自旋相互作用進行檢測的技術(shù)都可以稱為μSR技術(shù)。μSR技術(shù)在研究材料微觀磁性質(zhì)方面有獨特的優(yōu)勢,并與其他公認的技術(shù)如中子散射、電子自旋諧振和核磁共振形成互補的關(guān)系。高強度的μ子源實驗裝置是進行μSR技術(shù)研究的前提條件,而要產(chǎn)生高強度的μ子源就需要有高功率的質(zhì)子加速器,目前國際上只有TRIUMF、ISIS、PSI和J-PARC四家機構(gòu)擁有μ子源和開展μSR研究。而在國內(nèi),因為長期以來的缺少高功率的質(zhì)子加速器,μSR研究無法開展。隨著中國散裂中子源的建成,使得μSR研究成為了可能。2015年由自然科學基金資助的國家重大科研儀器研制項目“高強度μ子源關(guān)鍵技術(shù)研究”計劃在中國散裂中子源上研制一個實驗型的高強度μ子源和一臺128通道的μSR譜儀樣機。μSR譜儀樣機的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)包括前端電子學和讀出電子學系統(tǒng),本論文主要完成了μSR譜儀樣機讀出電子學系統(tǒng)的研制。其主要任務是測量μ子束到達與探測器探測到其衰變產(chǎn)生的正電子之間的時間差,然后將測量結(jié)果上傳到計算機上,轉(zhuǎn)換成固定格式后交由專門的數(shù)據(jù)分析軟件進行分析。根據(jù)脈沖型μSR譜儀的特點和設計目標,讀出電子學系統(tǒng)包括讀出(或TDC)模塊、扇出(Fanout)模塊和一套數(shù)據(jù)獲取軟件(DAQ)。TDC模塊是其核心模塊,主要負責時間測量和數(shù)據(jù)上傳。通過對多種時間測量方案的比較,最終選擇在FPGA中使用多路時鐘相移的方法進行時間測量,以降低資源占用并提高通道數(shù)。使用16個200 MHz的相移時鐘采樣實現(xiàn)了 312.5 ps的分辨率,針對多路時鐘相移的TDC設計方法,提出了一種降低輸入信號到多個采樣觸發(fā)器的走線偏差的方法,實現(xiàn)了所有TDC通道走線偏差小于4ps。最終在單片F(xiàn)PGA中實現(xiàn)了 32通道的時間測量、千兆以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸以及與4個前端電子學的通信。扇出模塊負責將μ子束流監(jiān)測器輸出的定時脈沖同時扇出到4個TDC模塊。數(shù)據(jù)獲取軟件負責數(shù)據(jù)獲取、系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。整個讀出電子學系統(tǒng)的死時間小于10ns,雙通道的RMS時間精度小于185ps,單通道的命中緩沖深度為512,時間測量范圍為0-327.68μs,數(shù)據(jù)傳輸速度最大為840.2 Mbps。本論文首先介紹了 μ子的基本性質(zhì)、μSR原理、μ子源的建設現(xiàn)狀,然后介紹了 μSR譜儀樣機的設計,重點介紹了 μSR譜儀樣機讀出電子學系統(tǒng)各部分(包括TDC模塊、扇出模塊和數(shù)據(jù)獲取軟件)的具體設計細節(jié),最后介紹整個系統(tǒng)的重要指標測試。本論文在μSR譜儀樣機讀出電子學系統(tǒng)的研制方面有以下創(chuàng)新點:1、針對μSR譜儀樣機的特殊需求專門研發(fā)了一個低死時間、大緩沖深度、大測量范圍、高精度和多通道的TDC模塊,實現(xiàn)了 32通道TDC的設計和千兆以太網(wǎng)接口的設計。2、提出了一種降低輸入信號到多個采樣觸發(fā)器的走線偏差的方法,實現(xiàn)了所有TDC通道走線偏差小于4 ps,改善了微分非線性和積分非線性,解決了時鐘相位的難點。3、研發(fā)了 μSR譜儀樣機數(shù)據(jù)獲取軟件,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)獲取、系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)存儲,支持NeXus數(shù)據(jù)格式,兼容國際上常用的Muon數(shù)據(jù)分析軟件,滿足數(shù)據(jù)分析的要求。
【學位單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TL817
【部分圖文】：

５００ＭｅＶ）與目標靶（一般使用碳靶或者鈹靶）的碰撞通過可能的反應（ｐ?＋?ｐ?—??］３?＋?ｎ?＋?７ｒ＋或ｐ?＋?ｎ－＾ｎ?＋?ｎ?＋?７ｒ＋）產(chǎn)生次級粒子７Ｔ＋介子，而７Ｔ＋非常不穩(wěn)定，容??易在平均壽命為２６．０３?ｎｓ的時間內(nèi)衰變成ｐ?（７Ｔ＋ｐ?＋?Ｖｐ），如圖１．２所示。??４??

質(zhì)子轟擊目標靶之后雖然會產(chǎn)生大量的７Ｔ介子，但是這些７Ｔ介子分成兩種，一??種是動能比較小的７Ｔ介子停止在目標ＩＥ的表面附近，然后衰變，產(chǎn)生的＾子被稱??為表面（Ｉ?（ＳｕｒｆａｃｅＭｕｏｎ）（如圖１．３所示）；另一種是動能比較大的７ｒ介子逃逸出??目標靶，然后在外部空間中衰變，產(chǎn)生的Ｈ子被稱為衰變Ｒ?（如圖１．４所示）。表??面Ｈ和衰變Ｈ的主要區(qū)別就是它們有不同的動量（表面ｐ的動能更低）、不同的??樣品注入深度（表面ｐ注入的深度更淺）和不同的極化率（表面ｐ是基本１〇〇％??極化的，而衰變ｐ是８０％左右）。表面ｐ只可能是ｎ＋，因為停止在目標靶表面附??近的ＪＴ介子在發(fā)生衰變之前基本上都會被核捕獲，只有衰變ｐ才存在ｆ和廠。??與３１介子動量方向相反發(fā)射的（１子被稱為后向Ｈ子（Ｂａｃｋｗａｒｄ?）ｘ），其可以通過??彎曲磁體來進行選擇性地提取（前向Ｈ子被７：介子所污染而一般難以提�。�。雖??然這種方法也可以用于Ｈ＋ＳＲ，但是對于ｆＴＳＲ來說，這是獲取廠的唯一選擇。與??表面＾相比，后向＾具有更高的動量（大約５０－１００?ＭｅＶ／ｃ）、更大的動量擴散和??更大的相空間。雖然后面兩個特征不是非常理想，但是后向ｐ是研究厚靶容器中??的樣品的唯一手段

圖１．４衰變＾產(chǎn)生過程示意圖??．２．３?＾子源的分類??據(jù)時間結(jié)構(gòu)來分類，可以把Ｋ子源分成連續(xù)型和脈沖型。連續(xù)型的續(xù)的質(zhì)子源產(chǎn)生，沒有任何明顯的時間結(jié)構(gòu)。這種Ｋ子源的優(yōu)點是測器和電子學的條件下，可以使ｐＳＲ的時間分辨非常高（小于ｌＯ辨只取決于探測系統(tǒng)的時間分辨，而更好的時間分辨可以檢測更大的弛豫信號。每次只能有一個＾子可以被注入樣品中，當Ｋ子到達器，當檢測到ｐ子衰變產(chǎn)生的正電子時就停止計數(shù)器，這段時間內(nèi)子到達，否則就不能判斷是哪一個ｊｘ子發(fā)生了衰變。一個子的衰束之后才能開始下一個ｐ子衰變時間的測量，否則就會出現(xiàn)“堆以＾子束流的速率就受到了限制，一般限制在ｌ〇５［ｉ＋／ｓ甚至更低，受到了限制。除了在束流中點上最佳的＾子束外，其他所有的束流器濾掉，所以一般用于測一些小且薄的樣品。??
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本文編號：2865792