空间暗物质探测卫星量能器读出电子学方法研究

摘要

近年来，越来越多的天文观测结果表明，人类现有的标准物理模型可以解释的普通物质只占整个宇宙的很小部分，其余的宇宙成分则全为暗物质和暗能量。但是，除引力效应外，人类对暗物质所知甚少，暗物质粒子的探测和研究意味着对现有物理学模型的突破，很可能导致物理学的新革命。
　　 到空间观测暗物质粒子衰变或相互作用后产生的普通粒子，如伽玛射线、电子和正电子、反质子等，是暗物质粒子探测的一个重要方法，也是国际物理学界的热点和前沿。国际上已开展的相关实验有ATIC 高空气球（美国）、PAMELA 卫星（意大利）、Fermi 卫星（美国）等，正在筹建或即将发射的有CALET 空间探测器（日本）、AMS02 空间探测器（美国）等。
　　 由中国科学院紫金山天文台领衔提出的空间暗物质探测小卫星计划，希望由我国建造和发射科学卫星，通过在空间观测高能电子（包括正电子）和伽玛射线能谱，来找到暗物质粒子的存在证据。在该卫星中，最为关键的设备是电磁量能器，用于实现5 GeV-10 TeV大动态范围高能宇宙线（电子、正电子、伽玛射线等）能谱测量。为了使量能器实现5 GeV-10 TeV的动态范围设计指标，要求其读出电子学系统具有1728路信号通道，每路电子学通道的动态范围达到近千倍。除此之外，作为卫星载荷的电子设备，必须满足低功耗、高可靠性等诸多苛刻要求。本论文将讨论该卫星量能器的读出电子学系统，包括其电荷测量技术路线、前端电子学和数据获取系统的设计细节，并对电子学系统的互连总线、可靠性等其它方面进行探讨。
　　 本论文的前两章主要对暗物质空间探测的物理背景、暗物质探测卫星及其电磁量能器的设计方案进行介绍。
　　 根据探测器总体方案，量能器将由576 块BGO 晶体组成，使用R5611 光电倍增管对晶体单元进行信号输出。为了扩展动态范围，将光电倍增管的三个打拿极信号引出，分别接到3路电子学通道进行电荷测量。本论文的第三章主要对电荷测量的技术细节进行探讨，包括其前置放大、模拟调理、数字化等环节的讨论，以及对电荷-电压转换、电荷-时间转换、波形采样这三种电荷测量的技术路线进行比较分析。并认为传统的电荷-电压转换技术路线，以及基于该技术路线的ASIC 芯片更能适应空间粒子物理实验电子学系统高集成度、低功耗、高可靠的需求。
　　 第四章主要介绍了最终选择的、采用VA32HDR14.2 ASIC 芯片的前端电子学电荷测量方案。为了对该方案进行验证，设计了相应的原理验证电路，并进行了电子学和探测器联调测试。
　　 第五章至第七章主要介绍了空间暗物质探测卫星地面原型系统的读出电子学设计，这也是本论文工作的重点。在第四章所介绍的原理验证电路的基础上，针对卫星原型系统探测器的需求，设计了地面原型探测器的读出系统。该读出系统由6个前端电子学模块（FEE）、2个数据获取模块（Sub-DAQ）及相应的电子学数据获取软件组成。其中前端电子学模块负责探测器信号的电荷测量，采用多片VA32HDR14.2 ASIC 芯片级联读出，以满足高集成度、低功耗的设计需求。数据获取模块主要负责FEE的数据读出和控制、触发的产生、以及与数据获取计算机的接口。在这几章中，对该读出电子学系统的硬件模块、系统互连总线以及数据获取软件的实现细节进行了介绍。
　　 第八章介绍地面原型系统读出电子学的误差分析和测试，测试工作具体分为两个阶段：实验室环境下的电子学测试，以及实验室环境下的探测器联调测试。其中电子学测试主要利用可编程的信号发生器和前端电子学自身的刻度电路来产生电荷脉冲，以模拟探测器信号，测试电子学系统的读出功能及其线性、噪声、稳定性、串扰等指标。探测器联调测试包括晶体测试平台的宇宙线实验，以及原型系统的宇宙线实验。测试结果表明，目前的读出电子学方案总体上可以满足原型系统的读出需求。
　　 考虑到空间环境的特殊性，可靠性是卫星载荷最为关键的指标。因此在本论文的第九章，对卫星电子学系统的可靠性进行了初步探讨，并针对下一步的卫星初样和正样阶段的需求，提出了电子学辐照测试实验的初步考虑。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

第二章 中国的暗物质探测卫星

第三章 电荷测量技术

第四章 暗物质探测卫星BGO 量能器的电荷测量技术路线

第五章 地面原型系统读出电子学总体设计

第六章 地面原型系统的前端电子学

第七章 地面原型系统的数据获取

第八章 原型系统读出电子学的误差分析与测试

第九章 对星上电子学可靠性的初步考虑

第十章 总结与展望

附录

致谢

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