基于液氩探测器的暗物质直接探测实验读出电子学研究

论文摘要

暗物质的存在已经被宇宙学研究与天文学观测所证实。作为当今物理学界的前沿,国内外许多实验组已经开展了一系列的探测实验,然而从“暗物质”概念的提出到现在已有80多年,这些实验还未探测到暗物质,人类对暗物质粒子的本质也仍然一无所知。探测暗物质粒子的方法通常分为对撞机产生、直接探测和间接探测。其中直接探测实验需要严格抑制本底事例,搜寻在统计上超出本底事例的暗物质与普通物质相互作用的散射(核反冲)信号。暗物质粒子与普通物质相互作用截面极低,直接探测实验需要将稀有的暗物质事例从大量的本底事例中挑选出来,因此本底事例的抑制是直接探测实验的关键点之一,对于实验成败具有至关重要的意义。利用探测器的信号进行粒子甄别,将电子信号与类核反冲信号区分开,是最有效的减少本底事例的方法。目前暗物质直接探测实验正在将暗物质与普通物质相互作用排除截面逐步降低,只有在更低的区域才有可能发现暗物质。这需要更高的探测器灵敏度来搜索这些已经越来越接近中微子本底的区域,为此各大实验组的升级实验已将探测器体量提升到了吨级甚至几十吨级。目前我国的暗物质探测实验也正在积极开展,作为几十吨乃至百吨级的直接探测实验的预研,由中国科学院高能物理研究所主导的吨级液氩探测器正在研制之中。本论文的主要工作是针对该吨级液氩探测器,提出并设计了一套读出电子学系统。基于探测器的需求,本文通过对探测器信号的仿真,确定了电子学的指标,并且提出了基于PXIe平台的可拓展性电子学方案。该电子学系统包括前置放大模块(PAM)、前端数字化模块(FDM)和触发时钟模块(TCM)。前置放大模块需要实现6倍放大以及增加直流偏置的功能。前端数字化模块需要对来自PAM的信号进行1GS/s、14bit的波形数字化,数据传输带宽最高将达到单板640Mb/s。而触发时钟模块用于同步时钟和触发使能的分发以及一级触发信息的汇总。本论文对这套电子学系统进行了性能测试,包括前置放大模块的放大偏置功能测试和模拟带宽测试;前端数字化模块的静态性能指标测试(INL、DNL)和动态性能指标(ENOB)测试;前端数字化模块各通道间的同步测试。测试结果表明,电子学性能测试结果符合预期。除此之外,本论文还开展了与原型探测器的联调测试,包括单光电子测试、22Na放射源测试、PuC中子源测试,实现了暗物质直接探测实验液氩探测器的基本功能。该系统为未来几十吨甚至百吨级液氩探测器电子学提供了技术路线。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 粒子物理标准模型
•   1.2 暗物质的存在证据
•     1.2.1 星系旋转曲线
•     1.2.2 引力透镜效应
•     1.2.3 宇宙微波背景辐射
•   1.3 暗物质候选粒子
•   1.4 暗物质的探测方法
•     1.4.1 对撞机产生
•     1.4.2 间接探测
•     1.4.3 直接探测
•   1.5 暗物质直接探测实验的发展现状
•   1.6 基于液态惰性元素的暗物质直接探测
•     1.6.1 探测器中的相互作用过程
•     1.6.2 粒子甄别
•   1.7 本论文研究目标和结构安排
•   参考文献
• 第2章 液态惰性元素探测器的现状与发展趋势
•   2.1 国内外相关实验调研
•     2.1.1 PandaX实验
•     2.1.2 XENON实验
•     2.1.3 DarkSide实验
•     2.1.4 DEAP-3600实验
•   2.2 暗物质直接探测实验的发展趋势
•   2.3 本章小结
•   参考文献
• 第3章 吨级液氩探测器电子学方案设计
•   3.1 吨级液氩探测器
•   3.2 电子学需求分析
•     3.2.1 采样率分析
•     3.2.2 量化精度分析
•     3.2.3 其他需求
•   3.3 电子学方案设计
•     3.3.1 触发方案
•     3.3.2 数据获取方案
•     3.3.3 波形数字化方案
•     3.3.4 电子学架构
•   3.4 本章小结
•   参考文献
• 第4章 原型电子学设计实现
•   4.1 前置放大模块
•   4.2 前端数字化模块
•     4.2.1 FDM原理框图
•     4.2.2 模拟前端设计
•     4.2.3 波形数字化
•     4.2.4 时钟电路设计
•     4.2.5 FPGA控制逻辑以及数据传输
•     4.2.6 电源方案设计
•   4.3 触发时钟模块
•   4.4 触发方案的设计与实现
•   4.5 电子学测试
•     4.5.1 前置放大模块性能测试
•     4.5.2 前端数字化模块性能测试
•     4.5.3 通道间的同步性能测试
•   4.6 本章小结
•   参考文献
• 第5章 与原型探测器的联调测试
•   5.1 探测器联调平台
•   5.2 单光电子谱测试
• 22Na放射源测试'>  5.3²²Na放射源测试
•   5.4 中子放射源测试
•   5.5 本章小结
•   参考文献
• 第6章 总结与展望
•   6.1 总结
•   6.2 展望
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文

文章来源

类型: 博士论文

作者: 祝星

导师: 刘树彬,封常青

关键词: 暗物质直接探测,液氩探测器,读出电子学系统,波形数字化

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 中国科学技术大学

基金: 国家重点研发专项(项目编号:2016YFA0400300),国家自然科学基金(项目编号:11805201)

分类号: O572.212

DOI: 10.27517/d.cnki.gzkju.2019.000385

总页数: 127

文件大小: 12977k

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