PandaX-Ⅲ實驗讀出電子學(xué)系統(tǒng)研究.pdf

1、目前粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型還無法很好地解釋中微子質(zhì)量，科學(xué)家希望通過對中微子的研究來進一步增加我們對粒子物理的認(rèn)知。在發(fā)現(xiàn)中微子震蕩現(xiàn)象之后，無中微子雙β衰變實驗被認(rèn)為是迄今為止探索中微子性質(zhì)最有前途的方法。無中微子雙β衰變是科學(xué)家猜想沒有中微子產(chǎn)生的雙β衰變過程。該過程能夠證明中微子是馬約拉納費米子，打破輕子數(shù)守恒定律，測量中微子質(zhì)量，并探索新的質(zhì)量產(chǎn)生機制，對高能物理發(fā)展具有重大意義?？茖W(xué)家估計某些元素?zé)o中微子雙β衰變半衰期下限達(dá)到102

2、7年，探測非常困難，要求探測器具有超低本底、高能量分辨率、大量統(tǒng)計事例等特點。目前國際上已經(jīng)開展了GERDA、CUORE、NEXT、EXO-200等多個探測實驗，但還沒有明確證實無中微子雙β衰變的實驗證據(jù)。
　　PandaⅩ-Ⅲ實驗將是我國首次開展的大型無中微子雙β衰變實驗，采用高壓氣Xe時間投影室技術(shù)方案和Microbulk Micromegas探測器進行端蓋讀出。實驗位于世界上最深的錦屏地下實驗室，有望在國際類似探測實驗的競爭

3、當(dāng)中取得一定優(yōu)勢。本論文的主要工作是為PandaⅩ-Ⅲ實驗設(shè)計一套讀出電子學(xué)系統(tǒng)方案、后端電子學(xué)實現(xiàn)以及系統(tǒng)集成和聯(lián)測。
　　論文首先對PandaⅩ-Ⅲ實驗時間投影室以及Micromegas探測器特點進行分析，確定讀出電子學(xué)的指標(biāo)需求。實驗要求讀出電子學(xué)滿足10496路陽極信號讀出，82路絲網(wǎng)信號讀出，10Hz事例率，系統(tǒng)觸發(fā)同步以及若干前端模擬性能指標(biāo)的要求。由于PandaⅩ-Ⅲ實驗具有通道數(shù)目多、實驗可擴展等特點，本論文結(jié)合對

4、國際上大型基于微結(jié)構(gòu)氣體探測器讀出實驗電子學(xué)的調(diào)研，進行了詳細(xì)的系統(tǒng)讀出方案設(shè)計分析，設(shè)計了一套通用可擴展讀出電子學(xué)方案。該讀出電子學(xué)分為前端和后端兩大部分，前端與后端均采用可擴展讀出結(jié)構(gòu)。前端電子學(xué)模塊使用ASIC+ADC+FPGA的讀出方式，并通過自定義協(xié)議光纖鏈路將數(shù)字信號傳輸?shù)胶蠖?。后端電子學(xué)將多塊前端電子學(xué)模塊數(shù)據(jù)匯總，通過千兆以太網(wǎng)與PC互連。最后，論文按照此電子學(xué)方案確定了PandaⅩ-Ⅲ實驗讀出電子學(xué)系統(tǒng)，包括:Micr

5、omegas陽極信號讀出的前端讀出板，Micromegas絲網(wǎng)信號讀出的絲網(wǎng)讀出板，數(shù)據(jù)匯總處理的數(shù)據(jù)獲取板以及時鐘觸發(fā)分發(fā)的時鐘觸發(fā)板。
　　在確定讀出電子學(xué)系統(tǒng)方案后，論文對每個電子學(xué)模塊設(shè)計實現(xiàn)進行了詳細(xì)介紹。為了研究讀出方案可行性以及配合原型時間投影室的測試工作，我們首先設(shè)計了一套原型讀出電子學(xué)系統(tǒng)。該原型系統(tǒng)包括1塊數(shù)據(jù)獲取板，4塊前端讀出板和1塊絲網(wǎng)讀出板，光纖傳輸基于FPGA內(nèi)嵌高速串行收發(fā)器來實現(xiàn)。經(jīng)過電子學(xué)測試，

6、前端電子學(xué)模擬性能指標(biāo)滿足了實驗要求，光纖鏈路穩(wěn)定可靠，觸發(fā)功能正常，系統(tǒng)觸發(fā)率能夠達(dá)到280Hz，數(shù)據(jù)獲取板工作正常，以太網(wǎng)傳輸速率能夠達(dá)到650Mbps。測試結(jié)果表明原型讀出電子學(xué)系統(tǒng)滿足設(shè)計需求，驗證了讀出方案的可行性。
　　接下來，論文開展了工程驗證電子學(xué)設(shè)計，要求1塊數(shù)據(jù)獲取板讀出21塊前端讀出板信號。此方案使用基于普通IO管腳自定義協(xié)議的光纖傳輸方案，并設(shè)計一塊時鐘觸發(fā)板實現(xiàn)系統(tǒng)時鐘觸發(fā)分發(fā)。經(jīng)過測試光纖鏈路穩(wěn)定可靠，

7、時鐘觸發(fā)分發(fā)正常，系統(tǒng)工作正常，符合PandaⅩ-Ⅲ實驗工程讀出要求。
　　最后，論文使用讀出電子學(xué)系統(tǒng)與探測器進行了聯(lián)調(diào)測試。首先原型讀出電子學(xué)系統(tǒng)與原型時間投影室進行聯(lián)調(diào)測試，得到了初步能譜和成像測試結(jié)果，驗證了讀出電子學(xué)方案用于PandaⅩ-Ⅲ實驗讀出的可行性。為了驗證兼容性的設(shè)計理念，讀出系統(tǒng)與多種微結(jié)構(gòu)氣體探測器模塊進行聯(lián)測，并在東莞散裂中子源束流監(jiān)測當(dāng)中使用，還配合SiPIN探測器前端電子學(xué)進行讀出測試。讀出系統(tǒng)長時間