用于江门中微子实验的超五类电缆测试系统的研究与设计

发布时间：2020-06-02 12:48

【摘要】：继大亚湾中微子实验成功测量中微子混合角θ_(13)后,江门中微子实验(Jiangmen Underground Neutrino Observation,JUNO)作为中微子实验的八大方案之一也被提上了日程,它将用于研究下一个中微子的热点和重点问题——中微子质量顺序。JUNO电子学系统中,需要一种合适的电缆连接水下的电子学盒子和水上的后端电子学部分。为了验证几种不同防水结构的超五类电缆的电气性能好坏,本文设计了用于江门中微子实验的超五类电缆测试系统。首先研究了在常压、变化水压和恒定水压等不同实验环境中,几种不同类型的电缆的时钟抖动(Jitter)、阻抗连续性、近端串扰(NEXT)、误码率、传输带宽等电气性能的表现。经过分析选出一种类型的电缆作为该电子学部分的连接电缆设计选型的参考,同时基于日后对该部分使用的电缆在安装后,需要测试和判别电缆的传输性能是否受到损坏,防止JUNO实验使用到不合格电缆。在本研究中设计了用于江门中微子的超五类电缆测试系统。该系统的研究包括硬件的设计和制作以及软件部分的上位机程序的功能实现等,完成可对电缆进行125MHz时钟传输,时钟抖动、误码和网络性能等电气性能的测试功能。整个研究工作完成了硬件上电缆测试板的原理图设计、PCB设计和元器件焊接,以及ISE和Iperf上位机程序的编写。整个测试系统也包括使用的带有FPGA子板的可编程的性能,通过FMC连接到该电缆测试板上,信号通信由JTAG(Joint Test Action Group;联合测试工作组)向电缆测试板加载Verilog上位机程序实现,可通过LabVIEW监测由测试板CDR(时钟数据恢复)所存恢复的某通道电缆测试结果,也可通过示波器和ChipScope监测传输信号。经测试该电缆测试系统具备对电缆125MHz时钟信号传输、串扰、误码和网络性能等测试功能。
【图文】：

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图 1.1 中微子震荡示意图世界的物理研究一直致力于揭开中微子的模糊面纱，因为对它的研究不仅会补界基本规律，突破现有粒子物理标准模型的理论体系，进入新物理的研究应利用中微子的众多特殊性质，深度发掘中微子的实用性，进行开发应用。比可以几乎不受阻挡地直线穿过物质，我们可以利用中微子实现通讯，这种通讯水和地层的阻挡，不会被干扰、拦截和破解，可通过捕获中微子探测器发出的号，来监测世界范围内核武器的制造情况等所有动态。对中微子的有关研究取进展，有望为人类事业发展做出更多的贡献，推动人类文明的进步。我国大亚实验测试出的θ13的值比假定的要大，，这就加大了短时间内可以测得 CP 相位角子质量的顺序的可能性。因此全世界各国相关组织机构开始争相制定对中微子的项目计划，同时将 CP 相位角一起进行测量。质量顺序是测量 CP 相位角的，也是中微子的内禀属性之一，它决定了中微子的味结构，是所有粒子物理模面对的问题。大亚湾反应堆中微子实验是我国首次对中微子进行了研究，在持不懈的工作里，使我国从无到进入世界前列。江门中微子实验作为大亚湾的

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年度十大科学突破之一[14]。为了确定在我国大亚湾测得的θ13的质量顺序和精确混合参数，江门中微子实验成为大亚湾二期实验开始建设。江门中微子实验同时也可以开展超新星中微子、太阳中微子、地球中微子、大气中微子等多项国际领先水平的研究[15]。江门中微子实验对中微子的质量顺序进行测量，可以精确测量中微子 6 个振荡参数中的 4个，并达到好于 1%的国际最好水平，使得检验中微子混合矩阵的幺正性、发现新物理成为可能。该试验项目也对超新星中微子、地球中微子、大气中微子、太阳中微子、惰性中微子等进行研究，不仅可以对理解微观的粒子物理规律做出重大贡献，也将对宇宙学、天体物理，乃至地球物理做出重大贡献[16]。如图 1.2 所示，江门中微子实验选址于广东江门市，该实验建造了一个有效质量 2万吨的液体闪烁体探测器，实验建造在距阳江和台山反应堆群约 53 公里的地下 700 米处，保证探测器放置环境中的宇宙射线较少，同时来自反应堆的中微子在此处振荡效应也最明显，其能量分辨率可以达到前所未有的 3%。该实验本身无废气、废液等有害物质的产生，不伤害周围环境[17]。
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM24;O572.321

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