基于AGET芯片的时间投影室前端电子学研究

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中微子物理一直是国际粒子物理研究的热点,首次观测到双中微子双β衰变现象后,人们提出无中微子双β衰变假说,国际上已陆续开展了CUORE、NEXT等相关实验,一旦被证实,则会向现有的标准模型提出挑战。但到目前为止,还没有相关证据足以说明无中微子双β衰变假说成立。  中国有当今世界上最深的地下实验室,该实验室坐落于四川锦屏山下,可将宇宙线干扰降低到百万分之一,大大降低了背景噪声。鉴于如此得天独厚的优势,中国也开展了PandaⅩ-Ⅲ实验用于寻找无中微子双β衰变。为了捕获到无中微子双β衰变信号,PandaⅩ-Ⅲ实验需要高能量分辨率、高空间分辨率、低本底,因此采用高压气氙时间投影室读出方式,读出探测器选用Micro-Bulk Micromegas探测器。为了进一步屏蔽伽马射线,整个系统都放置在高纯度的水系统中。  在本项目中,一个时间投影室大约需要近百个Micro-Bulk Micromegas,如果采用二维条读出,则有近万个电子学读出通道,同时时间投影室输出信号宽度变化较大、输出电荷量较大,因此,要求电子学系统具有高密度、高集成度、低本底、低噪声、大量程等特点。  在研究过程中,首先调研了国际上设计成熟的一些ASIC芯片,通过对比这些芯片的性能发现,AGET芯片更为适合本项目。之后,本论文借助实验室的SRS原型电子学系统开展了时间投影室前端读出电子学设计。整个系统分为:基于AGET芯片的前端板,对探测器信号进行预处理;基于ADC芯片的适配板,对预处理后的信号进行模数变换;基于FPGA的采集卡FEC,进行串并转换,数据存储、打包等操作,并发送给PC。  基于上述设计,完成了电子学硬件设计及软件设计,并在实验室进行了相关电子学性能测试。首先,分别对前端ASIC板进行了功能测试,适配板进行了性能测试,证明其可正常工作;其次,对系统噪声进行了测试;之后,又对AGET芯片的信号成形进行了测试,并进行波形拟合;接着,验证了数据压缩算法;最后,对输入输出特性及宽脉冲信号进行了测试,并对正极性信号进行了简单的测试。测试结果表明,基于AGET芯片的读出电子学系统基本满足设计需求,并因AGET配置灵活,且具有良好的性能,因此该系统还可用于MPGD读出。  在论文的最后,总结了基于AGET芯片的前端电子学设计的相关工作以及设计中存在的不足,为后续改进工作做准备。
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