PandaX-Ⅲ实验读出电子学系统研究

摘要

目前粒子物理标准模型还无法很好地解释中微子质量，科学家希望通过对中微子的研究来进一步增加我们对粒子物理的认知。在发现中微子震荡现象之后，无中微子双β衰变实验被认为是迄今为止探索中微子性质最有前途的方法。无中微子双β衰变是科学家猜想没有中微子产生的双β衰变过程。该过程能够证明中微子是马约拉纳费米子，打破轻子数守恒定律，测量中微子质量，并探索新的质量产生机制，对高能物理发展具有重大意义。科学家估计某些元素无中微子双β衰变半衰期下限达到1027年，探测非常困难，要求探测器具有超低本底、高能量分辨率、大量统计事例等特点。目前国际上已经开展了GERDA、CUORE、NEXT、EXO-200等多个探测实验，但还没有明确证实无中微子双β衰变的实验证据。
　　PandaⅩ-Ⅲ实验将是我国首次开展的大型无中微子双β衰变实验，采用高压气Xe时间投影室技术方案和Microbulk Micromegas探测器进行端盖读出。实验位于世界上最深的锦屏地下实验室，有望在国际类似探测实验的竞争当中取得一定优势。本论文的主要工作是为PandaⅩ-Ⅲ实验设计一套读出电子学系统方案、后端电子学实现以及系统集成和联测。
　　论文首先对PandaⅩ-Ⅲ实验时间投影室以及Micromegas探测器特点进行分析，确定读出电子学的指标需求。实验要求读出电子学满足10496路阳极信号读出，82路丝网信号读出，10Hz事例率，系统触发同步以及若干前端模拟性能指标的要求。由于PandaⅩ-Ⅲ实验具有通道数目多、实验可扩展等特点，本论文结合对国际上大型基于微结构气体探测器读出实验电子学的调研，进行了详细的系统读出方案设计分析，设计了一套通用可扩展读出电子学方案。该读出电子学分为前端和后端两大部分，前端与后端均采用可扩展读出结构。前端电子学模块使用ASIC+ADC+FPGA的读出方式，并通过自定义协议光纤链路将数字信号传输到后端。后端电子学将多块前端电子学模块数据汇总，通过千兆以太网与PC互连。最后，论文按照此电子学方案确定了PandaⅩ-Ⅲ实验读出电子学系统，包括:Micromegas阳极信号读出的前端读出板，Micromegas丝网信号读出的丝网读出板，数据汇总处理的数据获取板以及时钟触发分发的时钟触发板。
　　在确定读出电子学系统方案后，论文对每个电子学模块设计实现进行了详细介绍。为了研究读出方案可行性以及配合原型时间投影室的测试工作，我们首先设计了一套原型读出电子学系统。该原型系统包括1块数据获取板，4块前端读出板和1块丝网读出板，光纤传输基于FPGA内嵌高速串行收发器来实现。经过电子学测试，前端电子学模拟性能指标满足了实验要求，光纤链路稳定可靠，触发功能正常，系统触发率能够达到280Hz，数据获取板工作正常，以太网传输速率能够达到650Mbps。测试结果表明原型读出电子学系统满足设计需求，验证了读出方案的可行性。
　　接下来，论文开展了工程验证电子学设计，要求1块数据获取板读出21块前端读出板信号。此方案使用基于普通IO管脚自定义协议的光纤传输方案，并设计一块时钟触发板实现系统时钟触发分发。经过测试光纤链路稳定可靠，时钟触发分发正常，系统工作正常，符合PandaⅩ-Ⅲ实验工程读出要求。
　　最后，论文使用读出电子学系统与探测器进行了联调测试。首先原型读出电子学系统与原型时间投影室进行联调测试，得到了初步能谱和成像测试结果，验证了读出电子学方案用于PandaⅩ-Ⅲ实验读出的可行性。为了验证兼容性的设计理念，读出系统与多种微结构气体探测器模块进行联测，并在东莞散裂中子源束流监测当中使用，还配合SiPIN探测器前端电子学进行读出测试。读出系统长时间连续稳定工作，符合通用性设计目标。
　　论文根据PandaⅩ-Ⅲ实验的特点设计了通用可扩展读出电子学系统方案，实现了一套原型读出电子学系统，并与原型时间投影室联调测试，证明该系统能够满足实验读出需求。论文还开展工程验证电子学设计，系统工作可靠，符合PandaⅩ-Ⅲ实验工程读出要求，为工程实现奠定了基础。本论文最后对本课题未来工作重点以及工程项目实施提供了建议。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1．无中微子双β衰变简介

1．2．无中微子双β衰变研究现状

1．3．PandaⅩ-Ⅲ实验

1．4．本论文研究内容及结构安排

参考文献

第二章 PandaⅩ-Ⅲ实验读出方案设计

2．1．1．时间投影室

2．1．2．Micromegas探测器

2．1．3．PandaⅩ-Ⅲ实验装置

2．1．4．读出电子学需求

2．2．读出电子学系统方案设计

2．2．1．国外同类实验读出电子学调研

2．2．2．可扩展读出架构探讨

2．3．PandaⅩ-Ⅲ实验读出电子学系统方案

2．4．本章小结

参考文献

第三章 原型读出电子学设计实现

3．1．电子学设计

3．1．1．前端电子学

3．1．2．后端电子学

3．2．数据获取软件设计

3．3．电子学测试

3．3．1．前端读出板测试

3．3．2．丝网读出板测试

3．3．3．数据获取板测试

3．3．4．测试小结

3．4．本章小结

参考文献

第四章 工程验证读出电子学设计实现

4．1．电子学设计

4．1．1．基于普通IO光纤链路实现

4．1．2．电子学模块

4．1．3．系统时钟触发同步

4．2．工程验证电子学测试

4．3．本章小结

参考文献

第五章 探测器联调测试

5．1．PandaⅩ-Ⅲ原型时间投影室联调测试

5．2．探测器单元测试

5．3．本章小结

参考文献

第六章 总结与展望

6．1．总结

6．2．展望

致谢

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