新型塑闪阵列探测器读出系统的研究与实现

发布时间：2020-07-14 14:38

【摘要】：暗物质探测在当代粒子物理及天体物理领域是一项很热门的研究内容。由中国科学院空间科技先导专项支持的空间暗物质探测项目,将建造和发射科学卫星来寻找暗物质粒子的存在证据,进而开展空间暗物质研究。在该卫星中,中国科学院近代物理研究所承担研制一种新型的塑料闪烁体阵列探测器。作为探测卫星的重要分系统之一,需要完成近地空间高能粒子束中光子和电子的区分以及质子数Z=1~20的粒子鉴别。为了实现任务需求,本论文课题开展了该阵列探测器前端读出系统的设计与研究工作。论文重点讨论了该探测器的前端电子学硬件结构、FPGA控制逻辑的设计等关键技术问题;针对低功耗、高可靠性等诸多苛刻要求,探讨了解决方法与对策;论文还对地面检测验证系统以及试验与测试等问题进行了较详细的介绍。该新型塑闪阵列探测器前端读出电子学系统主要包括4块前端读出电子学电路(FEE),最小应用系统为360个输入通道,最多可扩展到512个输入通道。每块FEE主要基于先进的电荷测量电路和高性能FPGA构成。其中电荷测量电路采用了专用集成电路(ASIC)芯片VA32HDR14.2和16位数字化芯片AD976A,它们在FPGA的控制下实现对探测器输出信号的采样、处理、保持、数字化和缓存;FPGA则采用美国Actel公司生产的宇航级芯片,完成对电荷测量电路以及FEE板内其他功能电路的控制和状态监控。该前端电子学系统具有低功耗、模块化、便于扩展、通用性强等特点。该电路具有较好的可移植性和可扩展性,易于复制构建大型多通道前端读出系统。它具有较完善的电路功能和较强的自我保护能力,可靠性高,不仅可用于空间粒子探测器信号的处理,还可用于地面粒子物理实验探测器信号的处理。该论文工作中对塑闪FEE读出系统进行大量的确认测试,主要包括:实验室环境下的FPGA仿真测试、电子学测试和实验室环境下的探测器联调测试。前者可测试电子学系统的读出功能及其线性、噪声、稳定性、串扰等指标;后者通过探测器系统的自标定以及宇宙线测试,来评估系统的整体性能和能否实现预期的科学目标。实验结果表明,目前的读出系统方案总体上可以满足该阵列探测器系统的读出需求。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（近代物理研究所）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P172;P145.9
【图文】：

哈勃望远镜,旋转曲线,星系

1.1.1 暗物质的发现暗物质的探测在当代粒子物理及天体物理领域是一个很热门的研究课题[1]。早在世纪 30 年代，天文学家们在天文观测中发现了可见物体运动规律不满足引力理论的异现象。瑞士天文学家 Fritz Zwicky 在观测距离地球约 2 亿光年的 COMA 星系团时，他定星系团的演化过程中不会由于速度弥散太大而瓦解，并利用维里定理（Virial Theorem2]计算得到 COMA 可见星系成员在一个有限区域内的总质量仅是引力质量的 1/500，于星系团中的星系具有极高的运动速度，其总的可见质量不足以约束住星系成员。星团的总质量必须是可见质量的 500 倍以上。也就是说，99%以上的质量是不可见的，们只能通过引力感觉到它们的存在， Fritz Zwicky 由此提出“暗物质”的概念[3]。但这一概念并没有引起重视，直到 40 年后美国天文学家 Rubin & Ford[4]对漩涡星（dwarf spiral galaxy）旋转曲线的详细观测使得“暗物质”才得到天文学家的认同[5]。

星系团,气团,子弹,暗物质

2 新型塑闪阵列探测器读出系统的研究与实现缓的旋转曲线表明星系中有不能被直接观测到，却能通过引力效应表现出来的物质，即为暗物质[7]。2006 年钱德拉 X-射线天文卫星观察到两个星系团的碰撞，如图 1.2 所示[8]。左图是哈勃望远镜观测到的子弹气团的光学成像，右图是钱德拉 X-射线卫星观测到子弹气团的X 射线成像，两个星系团的质量中心和热气体的辐射中心不重合，这一现象无法通过引力理论来解释，只能引入暗物质概念加以说明：在星团碰撞的过程中，星系内气体由于摩擦阻力而相互粘滞，运动速度比较慢且主要分布在碰撞点附近，而暗物质没有粘滞，运动速度较快，热气体和暗物质在空间上分离造成了热气体的辐射中心和星系团的质量中心不重合[9]。

引力透镜,微波背景辐射,暗能量,宇宙物质

[9]。图 1.2 星系团碰撞形成的子弹气团[2]文学通过引力透镜、宇宙中大尺度结构的形成、微波背景辐射等质。而根据ΛCDM 模型，由普朗克卫星探测的数据得到：整个宇宙物质占 4.9%，而暗物质则占 26.8%，还有 68.3%是暗能量（质能示。

【参考文献】