PandaX-Ⅲ實(shí)驗(yàn)讀出電子學(xué)系統(tǒng)研究.pdf

1、目前粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型還無(wú)法很好地解釋中微子質(zhì)量，科學(xué)家希望通過(guò)對(duì)中微子的研究來(lái)進(jìn)一步增加我們對(duì)粒子物理的認(rèn)知。在發(fā)現(xiàn)中微子震蕩現(xiàn)象之后，無(wú)中微子雙β衰變實(shí)驗(yàn)被認(rèn)為是迄今為止探索中微子性質(zhì)最有前途的方法。無(wú)中微子雙β衰變是科學(xué)家猜想沒(méi)有中微子產(chǎn)生的雙β衰變過(guò)程。該過(guò)程能夠證明中微子是馬約拉納費(fèi)米子，打破輕子數(shù)守恒定律，測(cè)量中微子質(zhì)量，并探索新的質(zhì)量產(chǎn)生機(jī)制，對(duì)高能物理發(fā)展具有重大意義。科學(xué)家估計(jì)某些元素?zé)o中微子雙β衰變半衰期下限達(dá)到102

2、7年，探測(cè)非常困難，要求探測(cè)器具有超低本底、高能量分辨率、大量統(tǒng)計(jì)事例等特點(diǎn)。目前國(guó)際上已經(jīng)開(kāi)展了GERDA、CUORE、NEXT、EXO-200等多個(gè)探測(cè)實(shí)驗(yàn)，但還沒(méi)有明確證實(shí)無(wú)中微子雙β衰變的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。
　　PandaⅩ-Ⅲ實(shí)驗(yàn)將是我國(guó)首次開(kāi)展的大型無(wú)中微子雙β衰變實(shí)驗(yàn)，采用高壓氣Xe時(shí)間投影室技術(shù)方案和Microbulk Micromegas探測(cè)器進(jìn)行端蓋讀出。實(shí)驗(yàn)位于世界上最深的錦屏地下實(shí)驗(yàn)室，有望在國(guó)際類(lèi)似探測(cè)實(shí)驗(yàn)的競(jìng)爭(zhēng)

3、當(dāng)中取得一定優(yōu)勢(shì)。本論文的主要工作是為PandaⅩ-Ⅲ實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)一套讀出電子學(xué)系統(tǒng)方案、后端電子學(xué)實(shí)現(xiàn)以及系統(tǒng)集成和聯(lián)測(cè)。
　　論文首先對(duì)PandaⅩ-Ⅲ實(shí)驗(yàn)時(shí)間投影室以及Micromegas探測(cè)器特點(diǎn)進(jìn)行分析，確定讀出電子學(xué)的指標(biāo)需求。實(shí)驗(yàn)要求讀出電子學(xué)滿(mǎn)足10496路陽(yáng)極信號(hào)讀出，82路絲網(wǎng)信號(hào)讀出，10Hz事例率，系統(tǒng)觸發(fā)同步以及若干前端模擬性能指標(biāo)的要求。由于PandaⅩ-Ⅲ實(shí)驗(yàn)具有通道數(shù)目多、實(shí)驗(yàn)可擴(kuò)展等特點(diǎn)，本論文結(jié)合對(duì)

4、國(guó)際上大型基于微結(jié)構(gòu)氣體探測(cè)器讀出實(shí)驗(yàn)電子學(xué)的調(diào)研，進(jìn)行了詳細(xì)的系統(tǒng)讀出方案設(shè)計(jì)分析，設(shè)計(jì)了一套通用可擴(kuò)展讀出電子學(xué)方案。該讀出電子學(xué)分為前端和后端兩大部分，前端與后端均采用可擴(kuò)展讀出結(jié)構(gòu)。前端電子學(xué)模塊使用ASIC+ADC+FPGA的讀出方式，并通過(guò)自定義協(xié)議光纖鏈路將數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)胶蠖?。后端電子學(xué)將多塊前端電子學(xué)模塊數(shù)據(jù)匯總，通過(guò)千兆以太網(wǎng)與PC互連。最后，論文按照此電子學(xué)方案確定了PandaⅩ-Ⅲ實(shí)驗(yàn)讀出電子學(xué)系統(tǒng)，包括:Micr

5、omegas陽(yáng)極信號(hào)讀出的前端讀出板，Micromegas絲網(wǎng)信號(hào)讀出的絲網(wǎng)讀出板，數(shù)據(jù)匯總處理的數(shù)據(jù)獲取板以及時(shí)鐘觸發(fā)分發(fā)的時(shí)鐘觸發(fā)板。
　　在確定讀出電子學(xué)系統(tǒng)方案后，論文對(duì)每個(gè)電子學(xué)模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。為了研究讀出方案可行性以及配合原型時(shí)間投影室的測(cè)試工作，我們首先設(shè)計(jì)了一套原型讀出電子學(xué)系統(tǒng)。該原型系統(tǒng)包括1塊數(shù)據(jù)獲取板，4塊前端讀出板和1塊絲網(wǎng)讀出板，光纖傳輸基于FPGA內(nèi)嵌高速串行收發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)電子學(xué)測(cè)試，

6、前端電子學(xué)模擬性能指標(biāo)滿(mǎn)足了實(shí)驗(yàn)要求，光纖鏈路穩(wěn)定可靠，觸發(fā)功能正常，系統(tǒng)觸發(fā)率能夠達(dá)到280Hz，數(shù)據(jù)獲取板工作正常，以太網(wǎng)傳輸速率能夠達(dá)到650Mbps。測(cè)試結(jié)果表明原型讀出電子學(xué)系統(tǒng)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求，驗(yàn)證了讀出方案的可行性。
　　接下來(lái)，論文開(kāi)展了工程驗(yàn)證電子學(xué)設(shè)計(jì)，要求1塊數(shù)據(jù)獲取板讀出21塊前端讀出板信號(hào)。此方案使用基于普通IO管腳自定義協(xié)議的光纖傳輸方案，并設(shè)計(jì)一塊時(shí)鐘觸發(fā)板實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)鐘觸發(fā)分發(fā)。經(jīng)過(guò)測(cè)試光纖鏈路穩(wěn)定可靠，

7、時(shí)鐘觸發(fā)分發(fā)正常，系統(tǒng)工作正常，符合PandaⅩ-Ⅲ實(shí)驗(yàn)工程讀出要求。
　　最后，論文使用讀出電子學(xué)系統(tǒng)與探測(cè)器進(jìn)行了聯(lián)調(diào)測(cè)試。首先原型讀出電子學(xué)系統(tǒng)與原型時(shí)間投影室進(jìn)行聯(lián)調(diào)測(cè)試，得到了初步能譜和成像測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證了讀出電子學(xué)方案用于PandaⅩ-Ⅲ實(shí)驗(yàn)讀出的可行性。為了驗(yàn)證兼容性的設(shè)計(jì)理念，讀出系統(tǒng)與多種微結(jié)構(gòu)氣體探測(cè)器模塊進(jìn)行聯(lián)測(cè)，并在東莞散裂中子源束流監(jiān)測(cè)當(dāng)中使用，還配合SiPIN探測(cè)器前端電子學(xué)進(jìn)行讀出測(cè)試。讀出系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間