空間暗物質(zhì)探測(cè)衛(wèi)星量能器讀出電子學(xué)方法研究.pdf

1、近年來(lái)，越來(lái)越多的天文觀測(cè)結(jié)果表明，人類現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)物理模型可以解釋的普通物質(zhì)只占整個(gè)宇宙的很小部分，其余的宇宙成分則全為暗物質(zhì)和暗能量。但是，除引力效應(yīng)外，人類對(duì)暗物質(zhì)所知甚少，暗物質(zhì)粒子的探測(cè)和研究意味著對(duì)現(xiàn)有物理學(xué)模型的突破，很可能導(dǎo)致物理學(xué)的新革命。
　　 到空間觀測(cè)暗物質(zhì)粒子衰變或相互作用后產(chǎn)生的普通粒子，如伽瑪射線、電子和正電子、反質(zhì)子等，是暗物質(zhì)粒子探測(cè)的一個(gè)重要方法，也是國(guó)際物理學(xué)界的熱點(diǎn)和前沿。國(guó)際上已開(kāi)展的相關(guān)

2、實(shí)驗(yàn)有ATIC 高空氣球（美國(guó)）、PAMELA 衛(wèi)星（意大利）、Fermi 衛(wèi)星（美國(guó)）等，正在籌建或即將發(fā)射的有CALET 空間探測(cè)器（日本）、AMS02 空間探測(cè)器（美國(guó)）等。
　　 由中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)領(lǐng)銜提出的空間暗物質(zhì)探測(cè)小衛(wèi)星計(jì)劃，希望由我國(guó)建造和發(fā)射科學(xué)衛(wèi)星，通過(guò)在空間觀測(cè)高能電子（包括正電子）和伽瑪射線能譜，來(lái)找到暗物質(zhì)粒子的存在證據(jù)。在該衛(wèi)星中，最為關(guān)鍵的設(shè)備是電磁量能器，用于實(shí)現(xiàn)5 GeV-10 TeV大

3、動(dòng)態(tài)范圍高能宇宙線（電子、正電子、伽瑪射線等）能譜測(cè)量。為了使量能器實(shí)現(xiàn)5 GeV-10 TeV的動(dòng)態(tài)范圍設(shè)計(jì)指標(biāo)，要求其讀出電子學(xué)系統(tǒng)具有1728路信號(hào)通道，每路電子學(xué)通道的動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到近千倍。除此之外，作為衛(wèi)星載荷的電子設(shè)備，必須滿足低功耗、高可靠性等諸多苛刻要求。本論文將討論該衛(wèi)星量能器的讀出電子學(xué)系統(tǒng)，包括其電荷測(cè)量技術(shù)路線、前端電子學(xué)和數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，并對(duì)電子學(xué)系統(tǒng)的互連總線、可靠性等其它方面進(jìn)行探討。
　　

4、本論文的前兩章主要對(duì)暗物質(zhì)空間探測(cè)的物理背景、暗物質(zhì)探測(cè)衛(wèi)星及其電磁量能器的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行介紹。
　　 根據(jù)探測(cè)器總體方案，量能器將由576 塊BGO 晶體組成，使用R5611 光電倍增管對(duì)晶體單元進(jìn)行信號(hào)輸出。為了擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍，將光電倍增管的三個(gè)打拿極信號(hào)引出，分別接到3路電子學(xué)通道進(jìn)行電荷測(cè)量。本論文的第三章主要對(duì)電荷測(cè)量的技術(shù)細(xì)節(jié)進(jìn)行探討，包括其前置放大、模擬調(diào)理、數(shù)字化等環(huán)節(jié)的討論，以及對(duì)電荷-電壓轉(zhuǎn)換、電荷-時(shí)間轉(zhuǎn)換、波

5、形采樣這三種電荷測(cè)量的技術(shù)路線進(jìn)行比較分析。并認(rèn)為傳統(tǒng)的電荷-電壓轉(zhuǎn)換技術(shù)路線，以及基于該技術(shù)路線的ASIC 芯片更能適應(yīng)空間粒子物理實(shí)驗(yàn)電子學(xué)系統(tǒng)高集成度、低功耗、高可靠的需求。
　　 第四章主要介紹了最終選擇的、采用VA32HDR14.2 ASIC 芯片的前端電子學(xué)電荷測(cè)量方案。為了對(duì)該方案進(jìn)行驗(yàn)證，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的原理驗(yàn)證電路，并進(jìn)行了電子學(xué)和探測(cè)器聯(lián)調(diào)測(cè)試。
　　 第五章至第七章主要介紹了空間暗物質(zhì)探測(cè)衛(wèi)星地面原型系

6、統(tǒng)的讀出電子學(xué)設(shè)計(jì)，這也是本論文工作的重點(diǎn)。在第四章所介紹的原理驗(yàn)證電路的基礎(chǔ)上，針對(duì)衛(wèi)星原型系統(tǒng)探測(cè)器的需求，設(shè)計(jì)了地面原型探測(cè)器的讀出系統(tǒng)。該讀出系統(tǒng)由6個(gè)前端電子學(xué)模塊（FEE）、2個(gè)數(shù)據(jù)獲取模塊（Sub-DAQ）及相應(yīng)的電子學(xué)數(shù)據(jù)獲取軟件組成。其中前端電子學(xué)模塊負(fù)責(zé)探測(cè)器信號(hào)的電荷測(cè)量，采用多片VA32HDR14.2 ASIC 芯片級(jí)聯(lián)讀出，以滿足高集成度、低功耗的設(shè)計(jì)需求。數(shù)據(jù)獲取模塊主要負(fù)責(zé)FEE的數(shù)據(jù)讀出和控制、觸發(fā)的產(chǎn)生

7、、以及與數(shù)據(jù)獲取計(jì)算機(jī)的接口。在這幾章中，對(duì)該讀出電子學(xué)系統(tǒng)的硬件模塊、系統(tǒng)互連總線以及數(shù)據(jù)獲取軟件的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)進(jìn)行了介紹。
　　 第八章介紹地面原型系統(tǒng)讀出電子學(xué)的誤差分析和測(cè)試，測(cè)試工作具體分為兩個(gè)階段：實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的電子學(xué)測(cè)試，以及實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的探測(cè)器聯(lián)調(diào)測(cè)試。其中電子學(xué)測(cè)試主要利用可編程的信號(hào)發(fā)生器和前端電子學(xué)自身的刻度電路來(lái)產(chǎn)生電荷脈沖，以模擬探測(cè)器信號(hào)，測(cè)試電子學(xué)系統(tǒng)的讀出功能及其線性、噪聲、穩(wěn)定性、串?dāng)_等指標(biāo)。探測(cè)器