本文關(guān)鍵詞： PandaX-Ⅲ實驗 時間投影室 微網(wǎng)格氣體探測器 AGET芯片 前端讀出電子學(xué)　出處：《中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：近年來,在高能物理領(lǐng)域,低本底實驗越來越成為科學(xué)家們關(guān)注的重點。這類實驗一般在地下實驗室開展,旨在為目標(biāo)實驗提供超低本底的工作環(huán)境,盡可能地屏蔽宇宙射線的干擾。一般來說,低本底實驗探測的目標(biāo)事例均屬于稀有事例的范疇,其中,暗物質(zhì)粒子與無中微子雙貝塔衰變事例更是近幾十年來國際上的熱點問題。據(jù)天文學(xué)家們觀測,宇宙中的可見物質(zhì)只占4.9%,其余的則推斷為暗物質(zhì)和暗能量。為了尋找暗物質(zhì)存在的證據(jù),揭開宇宙起源的神秘面紗,目前國際上已經(jīng)開展了 CDMS、LUX等低本底地下實驗。而無中微子雙貝塔衰變事例則是基于雙貝塔衰變事例提出的一種猜想。目前已觀測到的雙貝塔衰變事例中均有兩個中微子伴隨產(chǎn)生,在此基礎(chǔ)上,科學(xué)家們提出了一種假想,如果能觀測到?jīng)]有中微子產(chǎn)生的雙貝塔衰變即無中微子雙貝塔衰變事例,那么就可以打破輕子數(shù)守恒的定律、證實中微子的反粒子為它自身等,對高能物理的發(fā)展具有重大意義,目前國際上已相繼開展了 EXO、NEXT等實驗。在中國,為了在低本底的工作環(huán)境中尋找這些稀有事例,科學(xué)家們于中國錦屏山地下實驗室開展了 PandaX系列實驗,其中PandaX-Ⅰ和PandaX-Ⅱ是為了尋找暗物質(zhì)粒子;PandaX-Ⅲ則是為了尋找無中微子雙貝塔衰變事例。中國錦屏山地下實驗室是目前世界上最深的地下實驗室,其垂直巖石覆蓋高達(dá)2400米,為稀有事例的探測提供了天然的屏障。在PandaX-Ⅲ實驗中,為了同時實現(xiàn)粒子的能量測量和徑跡測量,其使用的探測器為200kg的高壓氙氣(136Xe,～1Obar)時間投影室,端蓋讀出則采用基于Microbulk工藝的微網(wǎng)格氣體探測器(Micromegas)。在第一階段,本實驗的能量分辨率需達(dá)到3%,總讀出通道數(shù)高達(dá)10496。因此,為了實現(xiàn)上萬路探測器信號的讀出并滿足實驗需求,本論文研究設(shè)計了一套高集成度、低噪聲的前端讀出電子學(xué)系統(tǒng)。在本論文中,首先結(jié)合國際上相關(guān)實驗及其讀出電子學(xué)的特點,根據(jù)PandaX-Ⅲ實驗中的信號特征及設(shè)計需求,確定了整個讀出電子學(xué)系統(tǒng)的架構(gòu)。該讀出電子學(xué)系統(tǒng)為自底向上的模塊化設(shè)計,主要包括前端讀出和后端讀出兩部分。其中前端讀出電子學(xué)包括前端讀出板和絲網(wǎng)讀出板,分別對Micromegas探測器的陽極條信號和絲網(wǎng)信號進(jìn)行讀出;后端讀出電子學(xué)則主要對前端讀出的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總打包并傳輸至計算機,同時為整個系統(tǒng)提供同步時鐘和觸發(fā)信息。之后,本論文主要圍繞前端讀出電子學(xué)的設(shè)計展開。在前端讀出板的設(shè)計中,一款64通道的波形采樣ASIC芯片(AGET芯片)負(fù)責(zé)對探測器信號進(jìn)行放大成形,其輸出的信號由ADC芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后發(fā)送至FPGA芯片進(jìn)行存儲和打包,并通過光纖發(fā)送至后端讀出電子學(xué)。每塊前端讀出板集成了 256路模擬通道,可對2個Micromegas探測器模塊的信號進(jìn)行讀出,本實驗共需42塊前端讀出板。絲網(wǎng)讀出板則是使用分立元件搭建模擬信號處理部分,一塊絲網(wǎng)讀出板集成了42路通道,可實現(xiàn)時間投影室單端端蓋中Micromegas探測器的絲網(wǎng)信號讀出,因此本實驗中共需2塊絲網(wǎng)讀出板即可。目前在實驗室已設(shè)計完成了5塊前端讀出板和1塊絲網(wǎng)讀出板,可實現(xiàn)1280路陽極條信號和8路絲網(wǎng)信號的讀出,這些通道均工作正常,并且與后端數(shù)據(jù)采集卡的光纖傳輸?shù)恼`碼率小于10-14。接著,為了研究前端讀出電子學(xué)的相關(guān)性能,本論文在實驗室開展了一系列的測試,結(jié)果發(fā)現(xiàn)其積分非線性好于2%,在探測器的等效電容小于100pF時噪聲低于1.7fC,滿足PandaX-Ⅲ實驗的設(shè)計需求。為了進(jìn)一步驗證前端讀出板的性能,論文中開展了其與實驗室的阻性Micromegas探測器的聯(lián)調(diào)實驗,測試結(jié)果顯示前端讀出板對55Fe放射源的能量分辨率為18.7%。另外,為研究PandaX-Ⅲ實驗中時間投影室的相關(guān)性能特征,上海交通大學(xué)搭建了一套40kg的時間投影室原型系統(tǒng)。該原型系統(tǒng)為單端端蓋讀出,其讀出平面可集成7塊Micromegas探測器,目前已成功安裝了 1塊Micromegas探測器,讀出通道數(shù)為128路。本論文于上海交通大學(xué)開展了與原型系統(tǒng)的初步聯(lián)調(diào)實驗,經(jīng)過初步的測試,使用241Am放射源時前端讀出板測得的能量分辨率約為58.8%。最后,本論文總結(jié)了 PandaX-Ⅲ實驗對讀出電子學(xué)的需求、整個讀出系統(tǒng)的架構(gòu),并概括了前端讀出電子學(xué)的設(shè)計方案及其性能表現(xiàn)。另外,本論文還總結(jié)了目前版本的一些需要改進(jìn)之處,為后續(xù)的工作作出了相關(guān)建議。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：O572.21

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本文編號：1496311