本文關(guān)鍵詞：PandaX地下暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)電子學(xué)與數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的研制

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【摘要】：20世紀(jì)30年代茲威基測(cè)量后發(fā)座星系團(tuán)質(zhì)量時(shí),最早預(yù)言了暗物質(zhì)的存在。之后,Vera Rubin利用測(cè)量電磁波譜的影像管攝譜儀對(duì)仙女座星云(M31)進(jìn)行觀測(cè)并繪制了旋轉(zhuǎn)曲線,測(cè)量發(fā)現(xiàn)仙女座星云中的大部分恒星繞星系團(tuán)中心以相同的速度運(yùn)動(dòng),可能的解釋是漩渦星系中存在大量的有質(zhì)量但是看不見的暗物質(zhì)。之后對(duì)星系團(tuán)引力透鏡、宇宙微波背景輻射的觀測(cè)和研究從天文學(xué)角度肯定了暗物質(zhì)的存在。天文物理學(xué)家通過研究普朗克衛(wèi)星探測(cè)的數(shù)據(jù),根據(jù)ACDM模型(A——冷暗物質(zhì)模型),計(jì)算得到宇宙的結(jié)構(gòu)構(gòu)成：宇宙中普通物質(zhì)占4.9%,暗物質(zhì)占26.8%,6S.3%是暗能量。暗物質(zhì)存在的天文觀測(cè)證據(jù)被確認(rèn)后,理論物理學(xué)家提出眾多的暗物質(zhì)候選者。暗物質(zhì)候選者中,包括熱暗物質(zhì)、冷暗物質(zhì)和溫暗物質(zhì)。熱暗物質(zhì)可以很好地解釋宇宙中超星系團(tuán)這類特大尺度的結(jié)構(gòu),而冷暗物質(zhì)能更好的解釋星系、星系團(tuán)等等的結(jié)構(gòu)。溫暗物質(zhì)理論是近期形成的理論,兼顧熱暗物質(zhì)和冷暗物質(zhì)的特點(diǎn)。根據(jù)ACDM模型,理論估計(jì)宇宙中83%的物質(zhì)以冷的、不發(fā)光的、低碰撞界面的非重子暗物質(zhì)構(gòu)成。而旨在解決級(jí)列問題的幾種理論預(yù)言了穩(wěn)態(tài)大質(zhì)量弱相互作用粒子(WIMPs)是宇宙暗物質(zhì)的主要構(gòu)成。WIMPs與普通物質(zhì)的相互作用非常微弱,只參與弱相互作用和引力相互作用,理論根據(jù)模型已經(jīng)計(jì)算出粒子和己知標(biāo)準(zhǔn)模型中粒子的相互作用截面。白20世紀(jì)起,粒子物理學(xué)家積極地通過實(shí)驗(yàn)去探測(cè)、尋找暗物質(zhì)。除天文觀測(cè)可以間接驗(yàn)證暗物質(zhì)存在,尋找WIMPs粒子的方法有三種：地下暗物質(zhì)低本底直接探測(cè)實(shí)驗(yàn),非直接探測(cè)實(shí)驗(yàn),大型加速器暗物質(zhì)產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)。直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)是通過測(cè)量暗物質(zhì)粒子與普通物質(zhì)原子核的碰撞散射信號(hào)尋找暗物質(zhì)。非直接探測(cè)是測(cè)量暗物質(zhì)湮滅信號(hào)驗(yàn)證暗物質(zhì)存在性。直接探測(cè)暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)以低溫晶體探測(cè)器和低溫惰性氣體探測(cè)器為代表。非直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)以衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)為代表。加速器實(shí)驗(yàn)的代表是歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)實(shí)驗(yàn)。2013年,LUX (The Large Underground Xenon Experiment)實(shí)驗(yàn)在暗物質(zhì)直接探測(cè)領(lǐng)域取得了相當(dāng)高靈敏度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,實(shí)驗(yàn)基于85.3天的118公斤核心靶區(qū)液氙的探測(cè)數(shù)據(jù),沒有找到可信的暗物質(zhì)信號(hào)。LUX實(shí)驗(yàn)在90%置信度基礎(chǔ)上,對(duì)與自旋無關(guān)的WIMP與氙原子核相互作用截面給出上限：對(duì)于質(zhì)量為33GeV/c2WIMP粒子,相互作用截面上限為7.6×10-46cm2。2013年,AMS-02 (Alpha Magnetic Spectrometer)衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)對(duì)宇宙線正電子譜進(jìn)行測(cè)量,發(fā)現(xiàn)正電子比(宇宙線中正電子數(shù)與正負(fù)電子總數(shù)的比例)在0.5-10GeV范圍內(nèi)隨能量增長(zhǎng)而減小,在10GeV-250GeV范圍內(nèi)隨能量增長(zhǎng)而增大。然而正電子比分在20GeV-250GeV能量范圍內(nèi),增速在不斷下降,有跡象表明譜型在高于250GeV的能量區(qū)間內(nèi)會(huì)變得平坦,但是實(shí)驗(yàn)在250GeV以上的能譜需要更大的統(tǒng)計(jì)量和實(shí)驗(yàn)精度。2014年,Super-CDMS (Super Cryogenic Dark Matter Search)實(shí)驗(yàn)在暗物質(zhì)非直接探測(cè)模式中找到了11個(gè)疑似事例。實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)量達(dá)到577kg-days,找到11個(gè)WIMPs粒子疑似事例。實(shí)驗(yàn)在90%置信度基礎(chǔ)上,對(duì)與自旋無關(guān)的WIMP與氙原子核相互作用截面給出上限：對(duì)于質(zhì)量為8GeV/c2WIMP 粒子,相互作用截面上限為1.2 × 10-42cm2。Super-CDMS的疑似事例已經(jīng)被LUX新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果所否定。低溫惰性氣體探測(cè)器是目前最受關(guān)注的直接探測(cè)技術(shù)。而液氙,在稀有氣體中是一種典型的WIMPs直接探測(cè)的材料。液氙作為直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)材料具有以下特性：可以方便有效地的增大靶質(zhì)量,可以有效地甄別原子核反沖和電子反沖,具有有效地對(duì)環(huán)境本底的自屏蔽效應(yīng)。鑒于XENON100實(shí)驗(yàn)以及LUX實(shí)驗(yàn)在暗物質(zhì)探測(cè)領(lǐng)域的突破性進(jìn)展,Pan-daX合作組(The Particle and Astrophysical Xenon collaboration)于2010年開始設(shè)計(jì)并搭建中國(guó)第一座低本底二相氙型時(shí)間投影室用于暗物質(zhì)探測(cè)。PandaX地下暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)一期液氙靶質(zhì)量為120kg。PandaX二期時(shí)靶質(zhì)量會(huì)提高到0.5噸,PandaX三期探測(cè)器靶質(zhì)量會(huì)高于1噸。2012年,PandaX探測(cè)器運(yùn)往中國(guó)四川錦屏地下暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室CJPL (China Jinping Deep-Underground Laboratory)。2013年探測(cè)器在CJPL實(shí)驗(yàn)室搭建完畢并完成兩次試運(yùn)行以檢測(cè)和改進(jìn)探測(cè)器。2014正PandaX實(shí)驗(yàn)開始物理取數(shù),并于2014年9月發(fā)表實(shí)驗(yàn)結(jié)果。PandaX一期基于17.4天的37公斤核心靶區(qū)液氙的探測(cè)數(shù)據(jù),沒有找到可信的暗物質(zhì)信號(hào)。PandaX實(shí)驗(yàn)在90%置信度基礎(chǔ)上,對(duì)與自旋無關(guān)的WIMP與氙原子核相互作用截面給出上限：對(duì)于質(zhì)量為49GeV/c2WIMP粒子,相互作用截面上限為3.7×10-44cm2。PandaX暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)是當(dāng)前世界上環(huán)境本底最低的實(shí)驗(yàn)。作為實(shí)驗(yàn)信號(hào)處理和數(shù)據(jù)獲取的必要部分,電子學(xué)與數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)需要在實(shí)驗(yàn)物理取數(shù)之前完成設(shè)計(jì)和搭建。2010年P(guān)andaX實(shí)驗(yàn)電子學(xué)與數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)在山東大學(xué)開始設(shè)計(jì)和搭建。系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要基于商業(yè)插件,根據(jù)插件特性完成軟件框架、觸發(fā)框架等的設(shè)計(jì)。電子學(xué)系統(tǒng)收集來自探測(cè)器時(shí)間投影室光電倍增管陣列的光電子信號(hào)。然后,系統(tǒng)根據(jù)不同粒子反沖信號(hào)的特征設(shè)定觸發(fā)條件,以觸發(fā)物理信號(hào)。系統(tǒng)軟件對(duì)系統(tǒng)硬件初始化、配置,在數(shù)據(jù)獲取開始后對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行判定并讀取數(shù)據(jù),對(duì)數(shù)據(jù)格式校驗(yàn)后組裝事例,最后將數(shù)據(jù)讀出并存儲(chǔ)到磁盤陣列中。電子學(xué)與數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)設(shè)計(jì)的物理目標(biāo)是：以盡可能高的觸發(fā)效率對(duì)盡可能低能量的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo),系統(tǒng)的觸發(fā)邏輯經(jīng)過兩次設(shè)計(jì)。第一次設(shè)計(jì)應(yīng)用于PandaX試運(yùn)行過程中,實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)功能的檢驗(yàn)。在PandaX探測(cè)器正式運(yùn)行中,由于第一版觸發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)觸發(fā)閾值過高,因此進(jìn)行了第二次升級(jí)。升級(jí)后,顯著地降低了系統(tǒng)的觸發(fā)閾值,并顯著地提高了觸發(fā)效率。本文主要描述了為PandaX暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)一期的電子學(xué)與數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的背景、設(shè)計(jì)、搭建、測(cè)試以及運(yùn)行結(jié)果。
【關(guān)鍵詞】：PandaX 暗物質(zhì) 電子學(xué) 數(shù)據(jù)獲取
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：P145.9
【目錄】：

• 符號(hào)和縮略詞16-17
• 摘要17-19
• Abstract19-22
• 第一章 引言22-36
• 1.1 暗物質(zhì)證據(jù)22-27
• 1.1.1 星系旋轉(zhuǎn)曲線22-23
• 1.1.2 星系團(tuán)23-26
• 1.1.3 宇宙微波背景輻射26-27
• 1.2 暗物質(zhì)27-31
• 1.2.1 暗物質(zhì)動(dòng)力學(xué)分類28-29
• 1.2.2 暗物質(zhì)粒子分類29-31
• 1.3 大質(zhì)量弱相互作用粒子——WIMPs31-33
• 1.4 選題背景33-34
• 1.5 論文結(jié)構(gòu)34-36
• 第二章 暗物質(zhì)探測(cè)36-50
• 2.1 WIMPs暗物質(zhì)探測(cè)方法簡(jiǎn)介36
• 2.2 地下暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室36-39
• 2.3 暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)39-43
• 2.3.1 暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)：DAMA/LIBRA39-41
• 2.3.2 暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)：CDMS-Ⅱ41-42
• 2.3.3 暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)：CoGeNT42
• 2.3.4 暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)：CRESST42-43
• 2.3.5 暗物質(zhì)直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)：XENON 10043
• 2.4 暗物質(zhì)間接探測(cè)實(shí)驗(yàn)43-50
• 2.4.1 暗物質(zhì)非直接探測(cè)：帶電粒子43-46
• 2.4.2 暗物質(zhì)非直接探測(cè)：光子46-47
• 2.4.3 暗物質(zhì)非直接探測(cè)：中微子47-50
• 第三章 WIMPs信號(hào)及氙閃爍體50-58
• 3.1 WIMPs信號(hào)50-52
• 3.2 WIMPs探測(cè)材料：氙52-58
• 3.2.1 氙的物理特性52-53
• 3.2.2 氙的閃爍信號(hào)特性53-56
• 3.2.3 氙的電離信號(hào)特性56-58
• 第四章 PandaX地下暗物質(zhì)探測(cè)器58-64
• 4.1 制冷及氣體處理系統(tǒng)59-60
• 4.2 時(shí)間投影室(TPC)60-61
• 4.3 屏蔽體系統(tǒng)61-64
• 第五章 PandaX電子學(xué)與數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)—EnDAQ64-96
• 5.1 EnDAQ:硬件65-80
• 5.1.1 EnDAQ:VME機(jī)箱65-69
• 5.1.2 EnDAQ：NIM機(jī)箱69-71
• 5.1.3 EnDAQ：插件簡(jiǎn)介71-80
• 5.2 EnDAQ：硬件設(shè)計(jì)80-88
• 5.2.1 時(shí)鐘邏輯84-86
• 5.2.2 數(shù)據(jù)零壓縮技術(shù)86-88
• 5.3 EnDAQ:觸發(fā)模式設(shè)計(jì)88-90
• 5.4 EnDAQ：軟件設(shè)計(jì)90-96
• 5.4.1 數(shù)據(jù)格式92-96
• 第六章 PandaX電子學(xué)與數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)升級(jí)96-106
• 6.1 EnDAQ：硬件升級(jí)97-100
• 6.1.1 多數(shù)邏輯97-99
• 6.1.2 波形放大器99
• 6.1.3 觸發(fā)時(shí)間同步99-100
• 6.2 EnDAQ：軟件升級(jí)100-102
• 6.3 EnDAQ：觸發(fā)升級(jí)102-106
• 第七章 PandaX電子學(xué)與數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)：數(shù)據(jù)獲取模式和效率統(tǒng)計(jì)106-122
• 7.1 EnDAQ：數(shù)據(jù)獲取模式106-112
• 7.1.1 基于LED光源的光電倍增管陣列增益刻度106-107
• 7.1.2 基于~(137)Cs和~(60)Co放射源的PandaX探測(cè)器檢測(cè)107-110
• 7.1.3 基于~(252)Cf放射源的PandaX探測(cè)器模擬WIMP粒子信號(hào)110-112
• 7.2 EnDAQ：系統(tǒng)效率統(tǒng)計(jì)112-122
• 7.2.1 數(shù)據(jù)獲取事例平均大小113-115
• 7.2.2 數(shù)據(jù)獲取傳輸速度115-121
• 7.2.3 數(shù)據(jù)獲取觸發(fā)效率121-122
• 第八章 總結(jié)與展望122-124
• 參考文獻(xiàn)124-132
• 致謝132-134
• 博士期間發(fā)表論文134-135
• 附件135

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 XIAO MengJiao;XIAO Xiang;ZHAO Li;CAO XiGuang;CHEN Xun;CHEN YunHua;CUI XiangYi;FANG DeQing;FU ChangBo;GIBONI Karl L.;GONG HaoWei;GUO GuoDong;HU Jie;HUANG XingTao;JI XiangDong;JU YongLin;LEI SiAo;LI ShaoLi;LIN Qing;LIU HuaXuan;LIU JiangLai;LIU Xiang;LORENZON Wolfgang;MA YuGang;MAO YaJun;NI KaiXuan;PUSHKIN Kirill;REN XiangXiang;SCHUBNELL Michael;SHEN ManBing;STEPHENSON Scott;TAN AnDi;TARL，

本文編號(hào)：939094