PandaX-Ⅲ实验前端读出电子学方法研究

发布时间：2018-02-08 21:27

本文关键词： PandaX-Ⅲ实验时间投影室微网格气体探测器 AGET芯片前端读出电子学　出处：《中国科学技术大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：近年来,在高能物理领域,低本底实验越来越成为科学家们关注的重点。这类实验一般在地下实验室开展,旨在为目标实验提供超低本底的工作环境,尽可能地屏蔽宇宙射线的干扰。一般来说,低本底实验探测的目标事例均属于稀有事例的范畴,其中,暗物质粒子与无中微子双贝塔衰变事例更是近几十年来国际上的热点问题。据天文学家们观测,宇宙中的可见物质只占4.9%,其余的则推断为暗物质和暗能量。为了寻找暗物质存在的证据,揭开宇宙起源的神秘面纱,目前国际上已经开展了 CDMS、LUX等低本底地下实验。而无中微子双贝塔衰变事例则是基于双贝塔衰变事例提出的一种猜想。目前已观测到的双贝塔衰变事例中均有两个中微子伴随产生,在此基础上,科学家们提出了一种假想,如果能观测到没有中微子产生的双贝塔衰变即无中微子双贝塔衰变事例,那么就可以打破轻子数守恒的定律、证实中微子的反粒子为它自身等,对高能物理的发展具有重大意义,目前国际上已相继开展了 EXO、NEXT等实验。在中国,为了在低本底的工作环境中寻找这些稀有事例,科学家们于中国锦屏山地下实验室开展了 PandaX系列实验,其中PandaX-Ⅰ和PandaX-Ⅱ是为了寻找暗物质粒子;PandaX-Ⅲ则是为了寻找无中微子双贝塔衰变事例。中国锦屏山地下实验室是目前世界上最深的地下实验室,其垂直岩石覆盖高达2400米,为稀有事例的探测提供了天然的屏障。在PandaX-Ⅲ实验中,为了同时实现粒子的能量测量和径迹测量,其使用的探测器为200kg的高压氙气(136Xe,～1Obar)时间投影室,端盖读出则采用基于Microbulk工艺的微网格气体探测器(Micromegas)。在第一阶段,本实验的能量分辨率需达到3%,总读出通道数高达10496。因此,为了实现上万路探测器信号的读出并满足实验需求,本论文研究设计了一套高集成度、低噪声的前端读出电子学系统。在本论文中,首先结合国际上相关实验及其读出电子学的特点,根据PandaX-Ⅲ实验中的信号特征及设计需求,确定了整个读出电子学系统的架构。该读出电子学系统为自底向上的模块化设计,主要包括前端读出和后端读出两部分。其中前端读出电子学包括前端读出板和丝网读出板,分别对Micromegas探测器的阳极条信号和丝网信号进行读出;后端读出电子学则主要对前端读出的数据进行汇总打包并传输至计算机,同时为整个系统提供同步时钟和触发信息。之后,本论文主要围绕前端读出电子学的设计展开。在前端读出板的设计中,一款64通道的波形采样ASIC芯片(AGET芯片)负责对探测器信号进行放大成形,其输出的信号由ADC芯片进行模数转换后发送至FPGA芯片进行存储和打包,并通过光纤发送至后端读出电子学。每块前端读出板集成了 256路模拟通道,可对2个Micromegas探测器模块的信号进行读出,本实验共需42块前端读出板。丝网读出板则是使用分立元件搭建模拟信号处理部分,一块丝网读出板集成了42路通道,可实现时间投影室单端端盖中Micromegas探测器的丝网信号读出,因此本实验中共需2块丝网读出板即可。目前在实验室已设计完成了5块前端读出板和1块丝网读出板,可实现1280路阳极条信号和8路丝网信号的读出,这些通道均工作正常,并且与后端数据采集卡的光纤传输的误码率小于10-14。接着,为了研究前端读出电子学的相关性能,本论文在实验室开展了一系列的测试,结果发现其积分非线性好于2%,在探测器的等效电容小于100pF时噪声低于1.7fC,满足PandaX-Ⅲ实验的设计需求。为了进一步验证前端读出板的性能,论文中开展了其与实验室的阻性Micromegas探测器的联调实验,测试结果显示前端读出板对55Fe放射源的能量分辨率为18.7%。另外,为研究PandaX-Ⅲ实验中时间投影室的相关性能特征,上海交通大学搭建了一套40kg的时间投影室原型系统。该原型系统为单端端盖读出,其读出平面可集成7块Micromegas探测器,目前已成功安装了 1块Micromegas探测器,读出通道数为128路。本论文于上海交通大学开展了与原型系统的初步联调实验,经过初步的测试,使用241Am放射源时前端读出板测得的能量分辨率约为58.8%。最后,本论文总结了 PandaX-Ⅲ实验对读出电子学的需求、整个读出系统的架构,并概括了前端读出电子学的设计方案及其性能表现。另外,本论文还总结了目前版本的一些需要改进之处,为后续的工作作出了相关建议。
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【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O572.21

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