μSR谱仪样机读出电子学系统研制

发布时间：2020-11-01 16:24

　　 μ子是标准模型中12个基本粒子之一,它最早是在1936年被加州理工学院的Carl D.Anderson和Seth Neddermeyer在实验中发现。μ子是一种典型的粒子探针,它可以提取材料中的微观磁性或电子环境等特征,而这些特征往往是其他方式很难获得或者说不可能获得的特征。将自旋极化的μ子作为探针注入到物质材料中,对其自旋相互作用进行检测的技术都可以称为μSR技术。μSR技术在研究材料微观磁性质方面有独特的优势,并与其他公认的技术如中子散射、电子自旋谐振和核磁共振形成互补的关系。高强度的μ子源实验装置是进行μSR技术研究的前提条件,而要产生高强度的μ子源就需要有高功率的质子加速器,目前国际上只有TRIUMF、ISIS、PSI和J-PARC四家机构拥有μ子源和开展μSR研究。而在国内,因为长期以来的缺少高功率的质子加速器,μSR研究无法开展。随着中国散裂中子源的建成,使得μSR研究成为了可能。2015年由自然科学基金资助的国家重大科研仪器研制项目“高强度μ子源关键技术研究”计划在中国散裂中子源上研制一个实验型的高强度μ子源和一台128通道的μSR谱仪样机。μSR谱仪样机的数据获取系统包括前端电子学和读出电子学系统,本论文主要完成了μSR谱仪样机读出电子学系统的研制。其主要任务是测量μ子束到达与探测器探测到其衰变产生的正电子之间的时间差,然后将测量结果上传到计算机上,转换成固定格式后交由专门的数据分析软件进行分析。根据脉冲型μSR谱仪的特点和设计目标,读出电子学系统包括读出(或TDC)模块、扇出(Fanout)模块和一套数据获取软件(DAQ)。TDC模块是其核心模块,主要负责时间测量和数据上传。通过对多种时间测量方案的比较,最终选择在FPGA中使用多路时钟相移的方法进行时间测量,以降低资源占用并提高通道数。使用16个200 MHz的相移时钟采样实现了 312.5 ps的分辨率,针对多路时钟相移的TDC设计方法,提出了一种降低输入信号到多个采样触发器的走线偏差的方法,实现了所有TDC通道走线偏差小于4ps。最终在单片FPGA中实现了 32通道的时间测量、千兆以太网的数据传输以及与4个前端电子学的通信。扇出模块负责将μ子束流监测器输出的定时脉冲同时扇出到4个TDC模块。数据获取软件负责数据获取、系统控制、数据存储和数据格式转换。整个读出电子学系统的死时间小于10ns,双通道的RMS时间精度小于185ps,单通道的命中缓冲深度为512,时间测量范围为0-327.68μs,数据传输速度最大为840.2 Mbps。本论文首先介绍了 μ子的基本性质、μSR原理、μ子源的建设现状,然后介绍了 μSR谱仪样机的设计,重点介绍了 μSR谱仪样机读出电子学系统各部分(包括TDC模块、扇出模块和数据获取软件)的具体设计细节,最后介绍整个系统的重要指标测试。本论文在μSR谱仪样机读出电子学系统的研制方面有以下创新点:1、针对μSR谱仪样机的特殊需求专门研发了一个低死时间、大缓冲深度、大测量范围、高精度和多通道的TDC模块,实现了 32通道TDC的设计和千兆以太网接口的设计。2、提出了一种降低输入信号到多个采样触发器的走线偏差的方法,实现了所有TDC通道走线偏差小于4 ps,改善了微分非线性和积分非线性,解决了时钟相位的难点。3、研发了 μSR谱仪样机数据获取软件,实现了数据获取、系统控制和数据存储,支持NeXus数据格式,兼容国际上常用的Muon数据分析软件,满足数据分析的要求。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TL817
【部分图文】：

５００ＭｅＶ）与目标靶（一般使用碳靶或者铍靶）的碰撞通过可能的反应（ｐ?＋?ｐ?—??］３?＋?ｎ?＋?７ｒ＋或ｐ?＋?ｎ－＾ｎ?＋?ｎ?＋?７ｒ＋）产生次级粒子７Ｔ＋介子，而７Ｔ＋非常不稳定，容??易在平均寿命为２６．０３?ｎｓ的时间内衰变成ｐ?（７Ｔ＋ｐ?＋?Ｖｐ），如图１．２所示。??４??

质子轰击目标靶之后虽然会产生大量的７Ｔ介子，但是这些７Ｔ介子分成两种，一??种是动能比较小的７Ｔ介子停止在目标ＩＥ的表面附近，然后衰变，产生的＾子被称??为表面（Ｉ?（ＳｕｒｆａｃｅＭｕｏｎ）（如图１．３所示）；另一种是动能比较大的７ｒ介子逃逸出??目标靶，然后在外部空间中衰变，产生的Ｈ子被称为衰变Ｒ?（如图１．４所示）。表??面Ｈ和衰变Ｈ的主要区别就是它们有不同的动量（表面ｐ的动能更低）、不同的??样品注入深度（表面ｐ注入的深度更浅）和不同的极化率（表面ｐ是基本１〇〇％??极化的，而衰变ｐ是８０％左右）。表面ｐ只可能是ｎ＋，因为停止在目标靶表面附??近的ＪＴ介子在发生衰变之前基本上都会被核捕获，只有衰变ｐ才存在ｆ和厂。??与３１介子动量方向相反发射的（１子被称为后向Ｈ子（Ｂａｃｋｗａｒｄ?）ｘ），其可以通过??弯曲磁体来进行选择性地提取（前向Ｈ子被７：介子所污染而一般难以提取）。虽??然这种方法也可以用于Ｈ＋ＳＲ，但是对于ｆＴＳＲ来说，这是获取厂的唯一选择。与??表面＾相比，后向＾具有更高的动量（大约５０－１００?ＭｅＶ／ｃ）、更大的动量扩散和??更大的相空间。虽然后面两个特征不是非常理想，但是后向ｐ是研究厚靶容器中??的样品的唯一手段

图１．４衰变＾产生过程示意图??．２．３?＾子源的分类??据时间结构来分类，可以把Ｋ子源分成连续型和脉冲型。连续型的续的质子源产生，没有任何明显的时间结构。这种Ｋ子源的优点是测器和电子学的条件下，可以使ｐＳＲ的时间分辨非常高（小于ｌＯ辨只取决于探测系统的时间分辨，而更好的时间分辨可以检测更大的弛豫信号。每次只能有一个＾子可以被注入样品中，当Ｋ子到达器，当检测到ｐ子衰变产生的正电子时就停止计数器，这段时间内子到达，否则就不能判断是哪一个ｊｘ子发生了衰变。一个子的衰束之后才能开始下一个ｐ子衰变时间的测量，否则就会出现“堆以＾子束流的速率就受到了限制，一般限制在ｌ〇５［ｉ＋／ｓ甚至更低，受到了限制。除了在束流中点上最佳的＾子束外，其他所有的束流器滤掉，所以一般用于测一些小且薄的样品。??
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本文编号：2865792