PandaX地下暗物质实验电子学与数据获取系统的研制

发布时间：2017-09-29 01:09

  本文关键词：PandaX地下暗物质实验电子学与数据获取系统的研制

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【摘要】：20世纪30年代兹威基测量后发座星系团质量时,最早预言了暗物质的存在。之后,Vera Rubin利用测量电磁波谱的影像管摄谱仪对仙女座星云(M31)进行观测并绘制了旋转曲线,测量发现仙女座星云中的大部分恒星绕星系团中心以相同的速度运动,可能的解释是漩涡星系中存在大量的有质量但是看不见的暗物质。之后对星系团引力透镜、宇宙微波背景辐射的观测和研究从天文学角度肯定了暗物质的存在。天文物理学家通过研究普朗克卫星探测的数据,根据ACDM模型(A——冷暗物质模型),计算得到宇宙的结构构成：宇宙中普通物质占4.9%,暗物质占26.8%,6S.3%是暗能量。暗物质存在的天文观测证据被确认后,理论物理学家提出众多的暗物质候选者。暗物质候选者中,包括热暗物质、冷暗物质和温暗物质。热暗物质可以很好地解释宇宙中超星系团这类特大尺度的结构,而冷暗物质能更好的解释星系、星系团等等的结构。温暗物质理论是近期形成的理论,兼顾热暗物质和冷暗物质的特点。根据ACDM模型,理论估计宇宙中83%的物质以冷的、不发光的、低碰撞界面的非重子暗物质构成。而旨在解决级列问题的几种理论预言了稳态大质量弱相互作用粒子(WIMPs)是宇宙暗物质的主要构成。WIMPs与普通物质的相互作用非常微弱,只参与弱相互作用和引力相互作用,理论根据模型已经计算出粒子和己知标准模型中粒子的相互作用截面。白20世纪起,粒子物理学家积极地通过实验去探测、寻找暗物质。除天文观测可以间接验证暗物质存在,寻找WIMPs粒子的方法有三种：地下暗物质低本底直接探测实验,非直接探测实验,大型加速器暗物质产生实验。直接探测实验是通过测量暗物质粒子与普通物质原子核的碰撞散射信号寻找暗物质。非直接探测是测量暗物质湮灭信号验证暗物质存在性。直接探测暗物质实验以低温晶体探测器和低温惰性气体探测器为代表。非直接探测实验以卫星实验为代表。加速器实验的代表是欧洲大型强子对撞机(LHC)实验。2013年,LUX (The Large Underground Xenon Experiment)实验在暗物质直接探测领域取得了相当高灵敏度的实验结果,实验基于85.3天的118公斤核心靶区液氙的探测数据,没有找到可信的暗物质信号。LUX实验在90%置信度基础上,对与自旋无关的WIMP与氙原子核相互作用截面给出上限：对于质量为33GeV/c2WIMP粒子,相互作用截面上限为7.6×10-46cm2。2013年,AMS-02 (Alpha Magnetic Spectrometer)卫星实验对宇宙线正电子谱进行测量,发现正电子比(宇宙线中正电子数与正负电子总数的比例)在0.5-10GeV范围内随能量增长而减小,在10GeV-250GeV范围内随能量增长而增大。然而正电子比分在20GeV-250GeV能量范围内,增速在不断下降,有迹象表明谱型在高于250GeV的能量区间内会变得平坦,但是实验在250GeV以上的能谱需要更大的统计量和实验精度。2014年,Super-CDMS (Super Cryogenic Dark Matter Search)实验在暗物质非直接探测模式中找到了11个疑似事例。实验的数据量达到577kg-days,找到11个WIMPs粒子疑似事例。实验在90%置信度基础上,对与自旋无关的WIMP与氙原子核相互作用截面给出上限：对于质量为8GeV/c2WIMP 粒子,相互作用截面上限为1.2 × 10-42cm2。Super-CDMS的疑似事例已经被LUX新的实验结果所否定。低温惰性气体探测器是目前最受关注的直接探测技术。而液氙,在稀有气体中是一种典型的WIMPs直接探测的材料。液氙作为直接探测实验材料具有以下特性：可以方便有效地的增大靶质量,可以有效地甄别原子核反冲和电子反冲,具有有效地对环境本底的自屏蔽效应。鉴于XENON100实验以及LUX实验在暗物质探测领域的突破性进展,Pan-daX合作组(The Particle and Astrophysical Xenon collaboration)于2010年开始设计并搭建中国第一座低本底二相氙型时间投影室用于暗物质探测。PandaX地下暗物质实验一期液氙靶质量为120kg。PandaX二期时靶质量会提高到0.5吨,PandaX三期探测器靶质量会高于1吨。2012年,PandaX探测器运往中国四川锦屏地下暗物质实验室CJPL (China Jinping Deep-Underground Laboratory)。2013年探测器在CJPL实验室搭建完毕并完成两次试运行以检测和改进探测器。2014正PandaX实验开始物理取数,并于2014年9月发表实验结果。PandaX一期基于17.4天的37公斤核心靶区液氙的探测数据,没有找到可信的暗物质信号。PandaX实验在90%置信度基础上,对与自旋无关的WIMP与氙原子核相互作用截面给出上限：对于质量为49GeV/c2WIMP粒子,相互作用截面上限为3.7×10-44cm2。PandaX暗物质探测实验是当前世界上环境本底最低的实验。作为实验信号处理和数据获取的必要部分,电子学与数据获取系统需要在实验物理取数之前完成设计和搭建。2010年PandaX实验电子学与数据获取系统在山东大学开始设计和搭建。系统的硬件系统主要基于商业插件,根据插件特性完成软件框架、触发框架等的设计。电子学系统收集来自探测器时间投影室光电倍增管阵列的光电子信号。然后,系统根据不同粒子反冲信号的特征设定触发条件,以触发物理信号。系统软件对系统硬件初始化、配置,在数据获取开始后对系统状态进行判定并读取数据,对数据格式校验后组装事例,最后将数据读出并存储到磁盘阵列中。电子学与数据获取系统设计的物理目标是：以尽可能高的触发效率对尽可能低能量的信号进行测量。为了实现这个目标,系统的触发逻辑经过两次设计。第一次设计应用于PandaX试运行过程中,实现了对系统功能的检验。在PandaX探测器正式运行中,由于第一版触发系统的设计触发阈值过高,因此进行了第二次升级。升级后,显著地降低了系统的触发阈值,并显著地提高了触发效率。本文主要描述了为PandaX暗物质实验一期的电子学与数据获取系统的背景、设计、搭建、测试以及运行结果。
【关键词】：PandaX 暗物质 电子学 数据获取
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P145.9
【目录】：

• 符号和缩略词16-17
• 摘要17-19
• Abstract19-22
• 第一章 引言22-36
• 1.1 暗物质证据22-27
• 1.1.1 星系旋转曲线22-23
• 1.1.2 星系团23-26
• 1.1.3 宇宙微波背景辐射26-27
• 1.2 暗物质27-31
• 1.2.1 暗物质动力学分类28-29
• 1.2.2 暗物质粒子分类29-31
• 1.3 大质量弱相互作用粒子——WIMPs31-33
• 1.4 选题背景33-34
• 1.5 论文结构34-36
• 第二章 暗物质探测36-50
• 2.1 WIMPs暗物质探测方法简介36
• 2.2 地下暗物质实验室36-39
• 2.3 暗物质直接探测实验39-43
• 2.3.1 暗物质直接探测实验：DAMA/LIBRA39-41
• 2.3.2 暗物质直接探测实验：CDMS-Ⅱ41-42
• 2.3.3 暗物质直接探测实验：CoGeNT42
• 2.3.4 暗物质直接探测实验：CRESST42-43
• 2.3.5 暗物质直接探测实验：XENON 10043
• 2.4 暗物质间接探测实验43-50
• 2.4.1 暗物质非直接探测：带电粒子43-46
• 2.4.2 暗物质非直接探测：光子46-47
• 2.4.3 暗物质非直接探测：中微子47-50
• 第三章 WIMPs信号及氙闪烁体50-58
• 3.1 WIMPs信号50-52
• 3.2 WIMPs探测材料：氙52-58
• 3.2.1 氙的物理特性52-53
• 3.2.2 氙的闪烁信号特性53-56
• 3.2.3 氙的电离信号特性56-58
• 第四章 PandaX地下暗物质探测器58-64
• 4.1 制冷及气体处理系统59-60
• 4.2 时间投影室(TPC)60-61
• 4.3 屏蔽体系统61-64
• 第五章 PandaX电子学与数据获取系统—EnDAQ64-96
• 5.1 EnDAQ:硬件65-80
• 5.1.1 EnDAQ:VME机箱65-69
• 5.1.2 EnDAQ：NIM机箱69-71
• 5.1.3 EnDAQ：插件简介71-80
• 5.2 EnDAQ：硬件设计80-88
• 5.2.1 时钟逻辑84-86
• 5.2.2 数据零压缩技术86-88
• 5.3 EnDAQ:触发模式设计88-90
• 5.4 EnDAQ：软件设计90-96
• 5.4.1 数据格式92-96
• 第六章 PandaX电子学与数据获取系统升级96-106
• 6.1 EnDAQ：硬件升级97-100
• 6.1.1 多数逻辑97-99
• 6.1.2 波形放大器99
• 6.1.3 触发时间同步99-100
• 6.2 EnDAQ：软件升级100-102
• 6.3 EnDAQ：触发升级102-106
• 第七章 PandaX电子学与数据获取系统：数据获取模式和效率统计106-122
• 7.1 EnDAQ：数据获取模式106-112
• 7.1.1 基于LED光源的光电倍增管阵列增益刻度106-107
• 7.1.2 基于~(137)Cs和~(60)Co放射源的PandaX探测器检测107-110
• 7.1.3 基于~(252)Cf放射源的PandaX探测器模拟WIMP粒子信号110-112
• 7.2 EnDAQ：系统效率统计112-122
• 7.2.1 数据获取事例平均大小113-115
• 7.2.2 数据获取传输速度115-121
• 7.2.3 数据获取触发效率121-122
• 第八章 总结与展望122-124
• 参考文献124-132
• 致谢132-134
• 博士期间发表论文134-135
• 附件135

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 XIAO MengJiao;XIAO Xiang;ZHAO Li;CAO XiGuang;CHEN Xun;CHEN YunHua;CUI XiangYi;FANG DeQing;FU ChangBo;GIBONI Karl L.;GONG HaoWei;GUO GuoDong;HU Jie;HUANG XingTao;JI XiangDong;JU YongLin;LEI SiAo;LI ShaoLi;LIN Qing;LIU HuaXuan;LIU JiangLai;LIU Xiang;LORENZON Wolfgang;MA YuGang;MAO YaJun;NI KaiXuan;PUSHKIN Kirill;REN XiangXiang;SCHUBNELL Michael;SHEN ManBing;STEPHENSON Scott;TAN AnDi;TARL，

本文编号：939094