本文關(guān)鍵詞：PandaX地下暗物質(zhì)實驗電子學與數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的研制

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【摘要】：20世紀30年代茲威基測量后發(fā)座星系團質(zhì)量時,最早預言了暗物質(zhì)的存在。之后,Vera Rubin利用測量電磁波譜的影像管攝譜儀對仙女座星云(M31)進行觀測并繪制了旋轉(zhuǎn)曲線,測量發(fā)現(xiàn)仙女座星云中的大部分恒星繞星系團中心以相同的速度運動,可能的解釋是漩渦星系中存在大量的有質(zhì)量但是看不見的暗物質(zhì)。之后對星系團引力透鏡、宇宙微波背景輻射的觀測和研究從天文學角度肯定了暗物質(zhì)的存在。天文物理學家通過研究普朗克衛(wèi)星探測的數(shù)據(jù),根據(jù)ACDM模型(A——冷暗物質(zhì)模型),計算得到宇宙的結(jié)構(gòu)構(gòu)成：宇宙中普通物質(zhì)占4.9%,暗物質(zhì)占26.8%,6S.3%是暗能量。暗物質(zhì)存在的天文觀測證據(jù)被確認后,理論物理學家提出眾多的暗物質(zhì)候選者。暗物質(zhì)候選者中,包括熱暗物質(zhì)、冷暗物質(zhì)和溫暗物質(zhì)。熱暗物質(zhì)可以很好地解釋宇宙中超星系團這類特大尺度的結(jié)構(gòu),而冷暗物質(zhì)能更好的解釋星系、星系團等等的結(jié)構(gòu)。溫暗物質(zhì)理論是近期形成的理論,兼顧熱暗物質(zhì)和冷暗物質(zhì)的特點。根據(jù)ACDM模型,理論估計宇宙中83%的物質(zhì)以冷的、不發(fā)光的、低碰撞界面的非重子暗物質(zhì)構(gòu)成。而旨在解決級列問題的幾種理論預言了穩(wěn)態(tài)大質(zhì)量弱相互作用粒子(WIMPs)是宇宙暗物質(zhì)的主要構(gòu)成。WIMPs與普通物質(zhì)的相互作用非常微弱,只參與弱相互作用和引力相互作用,理論根據(jù)模型已經(jīng)計算出粒子和己知標準模型中粒子的相互作用截面。白20世紀起,粒子物理學家積極地通過實驗去探測、尋找暗物質(zhì)。除天文觀測可以間接驗證暗物質(zhì)存在,尋找WIMPs粒子的方法有三種：地下暗物質(zhì)低本底直接探測實驗,非直接探測實驗,大型加速器暗物質(zhì)產(chǎn)生實驗。直接探測實驗是通過測量暗物質(zhì)粒子與普通物質(zhì)原子核的碰撞散射信號尋找暗物質(zhì)。非直接探測是測量暗物質(zhì)湮滅信號驗證暗物質(zhì)存在性。直接探測暗物質(zhì)實驗以低溫晶體探測器和低溫惰性氣體探測器為代表。非直接探測實驗以衛(wèi)星實驗為代表。加速器實驗的代表是歐洲大型強子對撞機(LHC)實驗。2013年,LUX (The Large Underground Xenon Experiment)實驗在暗物質(zhì)直接探測領(lǐng)域取得了相當高靈敏度的實驗結(jié)果,實驗基于85.3天的118公斤核心靶區(qū)液氙的探測數(shù)據(jù),沒有找到可信的暗物質(zhì)信號。LUX實驗在90%置信度基礎(chǔ)上,對與自旋無關(guān)的WIMP與氙原子核相互作用截面給出上限：對于質(zhì)量為33GeV/c2WIMP粒子,相互作用截面上限為7.6×10-46cm2。2013年,AMS-02 (Alpha Magnetic Spectrometer)衛(wèi)星實驗對宇宙線正電子譜進行測量,發(fā)現(xiàn)正電子比(宇宙線中正電子數(shù)與正負電子總數(shù)的比例)在0.5-10GeV范圍內(nèi)隨能量增長而減小,在10GeV-250GeV范圍內(nèi)隨能量增長而增大。然而正電子比分在20GeV-250GeV能量范圍內(nèi),增速在不斷下降,有跡象表明譜型在高于250GeV的能量區(qū)間內(nèi)會變得平坦,但是實驗在250GeV以上的能譜需要更大的統(tǒng)計量和實驗精度。2014年,Super-CDMS (Super Cryogenic Dark Matter Search)實驗在暗物質(zhì)非直接探測模式中找到了11個疑似事例。實驗的數(shù)據(jù)量達到577kg-days,找到11個WIMPs粒子疑似事例。實驗在90%置信度基礎(chǔ)上,對與自旋無關(guān)的WIMP與氙原子核相互作用截面給出上限：對于質(zhì)量為8GeV/c2WIMP 粒子,相互作用截面上限為1.2 × 10-42cm2。Super-CDMS的疑似事例已經(jīng)被LUX新的實驗結(jié)果所否定。低溫惰性氣體探測器是目前最受關(guān)注的直接探測技術(shù)。而液氙,在稀有氣體中是一種典型的WIMPs直接探測的材料。液氙作為直接探測實驗材料具有以下特性：可以方便有效地的增大靶質(zhì)量,可以有效地甄別原子核反沖和電子反沖,具有有效地對環(huán)境本底的自屏蔽效應(yīng)。鑒于XENON100實驗以及LUX實驗在暗物質(zhì)探測領(lǐng)域的突破性進展,Pan-daX合作組(The Particle and Astrophysical Xenon collaboration)于2010年開始設(shè)計并搭建中國第一座低本底二相氙型時間投影室用于暗物質(zhì)探測。PandaX地下暗物質(zhì)實驗一期液氙靶質(zhì)量為120kg。PandaX二期時靶質(zhì)量會提高到0.5噸,PandaX三期探測器靶質(zhì)量會高于1噸。2012年,PandaX探測器運往中國四川錦屏地下暗物質(zhì)實驗室CJPL (China Jinping Deep-Underground Laboratory)。2013年探測器在CJPL實驗室搭建完畢并完成兩次試運行以檢測和改進探測器。2014正PandaX實驗開始物理取數(shù),并于2014年9月發(fā)表實驗結(jié)果。PandaX一期基于17.4天的37公斤核心靶區(qū)液氙的探測數(shù)據(jù),沒有找到可信的暗物質(zhì)信號。PandaX實驗在90%置信度基礎(chǔ)上,對與自旋無關(guān)的WIMP與氙原子核相互作用截面給出上限：對于質(zhì)量為49GeV/c2WIMP粒子,相互作用截面上限為3.7×10-44cm2。PandaX暗物質(zhì)探測實驗是當前世界上環(huán)境本底最低的實驗。作為實驗信號處理和數(shù)據(jù)獲取的必要部分,電子學與數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)需要在實驗物理取數(shù)之前完成設(shè)計和搭建。2010年P(guān)andaX實驗電子學與數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)在山東大學開始設(shè)計和搭建。系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要基于商業(yè)插件,根據(jù)插件特性完成軟件框架、觸發(fā)框架等的設(shè)計。電子學系統(tǒng)收集來自探測器時間投影室光電倍增管陣列的光電子信號。然后,系統(tǒng)根據(jù)不同粒子反沖信號的特征設(shè)定觸發(fā)條件,以觸發(fā)物理信號。系統(tǒng)軟件對系統(tǒng)硬件初始化、配置,在數(shù)據(jù)獲取開始后對系統(tǒng)狀態(tài)進行判定并讀取數(shù)據(jù),對數(shù)據(jù)格式校驗后組裝事例,最后將數(shù)據(jù)讀出并存儲到磁盤陣列中。電子學與數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)設(shè)計的物理目標是：以盡可能高的觸發(fā)效率對盡可能低能量的信號進行測量。為了實現(xiàn)這個目標,系統(tǒng)的觸發(fā)邏輯經(jīng)過兩次設(shè)計。第一次設(shè)計應(yīng)用于PandaX試運行過程中,實現(xiàn)了對系統(tǒng)功能的檢驗。在PandaX探測器正式運行中,由于第一版觸發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計觸發(fā)閾值過高,因此進行了第二次升級。升級后,顯著地降低了系統(tǒng)的觸發(fā)閾值,并顯著地提高了觸發(fā)效率。本文主要描述了為PandaX暗物質(zhì)實驗一期的電子學與數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的背景、設(shè)計、搭建、測試以及運行結(jié)果。
【關(guān)鍵詞】：PandaX 暗物質(zhì) 電子學 數(shù)據(jù)獲取
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：P145.9
【目錄】：

• 符號和縮略詞16-17
• 摘要17-19
• Abstract19-22
• 第一章 引言22-36
• 1.1 暗物質(zhì)證據(jù)22-27
• 1.1.1 星系旋轉(zhuǎn)曲線22-23
• 1.1.2 星系團23-26
• 1.1.3 宇宙微波背景輻射26-27
• 1.2 暗物質(zhì)27-31
• 1.2.1 暗物質(zhì)動力學分類28-29
• 1.2.2 暗物質(zhì)粒子分類29-31
• 1.3 大質(zhì)量弱相互作用粒子——WIMPs31-33
• 1.4 選題背景33-34
• 1.5 論文結(jié)構(gòu)34-36
• 第二章 暗物質(zhì)探測36-50
• 2.1 WIMPs暗物質(zhì)探測方法簡介36
• 2.2 地下暗物質(zhì)實驗室36-39
• 2.3 暗物質(zhì)直接探測實驗39-43
• 2.3.1 暗物質(zhì)直接探測實驗：DAMA/LIBRA39-41
• 2.3.2 暗物質(zhì)直接探測實驗：CDMS-Ⅱ41-42
• 2.3.3 暗物質(zhì)直接探測實驗：CoGeNT42
• 2.3.4 暗物質(zhì)直接探測實驗：CRESST42-43
• 2.3.5 暗物質(zhì)直接探測實驗：XENON 10043
• 2.4 暗物質(zhì)間接探測實驗43-50
• 2.4.1 暗物質(zhì)非直接探測：帶電粒子43-46
• 2.4.2 暗物質(zhì)非直接探測：光子46-47
• 2.4.3 暗物質(zhì)非直接探測：中微子47-50
• 第三章 WIMPs信號及氙閃爍體50-58
• 3.1 WIMPs信號50-52
• 3.2 WIMPs探測材料：氙52-58
• 3.2.1 氙的物理特性52-53
• 3.2.2 氙的閃爍信號特性53-56
• 3.2.3 氙的電離信號特性56-58
• 第四章 PandaX地下暗物質(zhì)探測器58-64
• 4.1 制冷及氣體處理系統(tǒng)59-60
• 4.2 時間投影室(TPC)60-61
• 4.3 屏蔽體系統(tǒng)61-64
• 第五章 PandaX電子學與數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)—EnDAQ64-96
• 5.1 EnDAQ:硬件65-80
• 5.1.1 EnDAQ:VME機箱65-69
• 5.1.2 EnDAQ：NIM機箱69-71
• 5.1.3 EnDAQ：插件簡介71-80
• 5.2 EnDAQ：硬件設(shè)計80-88
• 5.2.1 時鐘邏輯84-86
• 5.2.2 數(shù)據(jù)零壓縮技術(shù)86-88
• 5.3 EnDAQ:觸發(fā)模式設(shè)計88-90
• 5.4 EnDAQ：軟件設(shè)計90-96
• 5.4.1 數(shù)據(jù)格式92-96
• 第六章 PandaX電子學與數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)升級96-106
• 6.1 EnDAQ：硬件升級97-100
• 6.1.1 多數(shù)邏輯97-99
• 6.1.2 波形放大器99
• 6.1.3 觸發(fā)時間同步99-100
• 6.2 EnDAQ：軟件升級100-102
• 6.3 EnDAQ：觸發(fā)升級102-106
• 第七章 PandaX電子學與數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)：數(shù)據(jù)獲取模式和效率統(tǒng)計106-122
• 7.1 EnDAQ：數(shù)據(jù)獲取模式106-112
• 7.1.1 基于LED光源的光電倍增管陣列增益刻度106-107
• 7.1.2 基于~(137)Cs和~(60)Co放射源的PandaX探測器檢測107-110
• 7.1.3 基于~(252)Cf放射源的PandaX探測器模擬WIMP粒子信號110-112
• 7.2 EnDAQ：系統(tǒng)效率統(tǒng)計112-122
• 7.2.1 數(shù)據(jù)獲取事例平均大小113-115
• 7.2.2 數(shù)據(jù)獲取傳輸速度115-121
• 7.2.3 數(shù)據(jù)獲取觸發(fā)效率121-122
• 第八章 總結(jié)與展望122-124
• 參考文獻124-132
• 致謝132-134
• 博士期間發(fā)表論文134-135
• 附件135

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 XIAO MengJiao;XIAO Xiang;ZHAO Li;CAO XiGuang;CHEN Xun;CHEN YunHua;CUI XiangYi;FANG DeQing;FU ChangBo;GIBONI Karl L.;GONG HaoWei;GUO GuoDong;HU Jie;HUANG XingTao;JI XiangDong;JU YongLin;LEI SiAo;LI ShaoLi;LIN Qing;LIU HuaXuan;LIU JiangLai;LIU Xiang;LORENZON Wolfgang;MA YuGang;MAO YaJun;NI KaiXuan;PUSHKIN Kirill;REN XiangXiang;SCHUBNELL Michael;SHEN ManBing;STEPHENSON Scott;TAN AnDi;TARL，

本文編號：939094