國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題中期執(zhí)行情況報(bào)告-PandaX-上海交通大學(xué)_第1頁
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附件2: :國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題中期執(zhí)行情況報(bào)告項(xiàng)目名稱:基于惰性氣體探測器的直接暗物質(zhì)探測實(shí)驗(yàn)課題名稱:用于暗物質(zhì)探測等實(shí)驗(yàn)的低本底電子學(xué)系統(tǒng)研發(fā)) ) :2016年7月至2021年6月中華人民共和國科學(xué)技術(shù)部2018年7月13日編 報(bào) 要 求一、內(nèi)容說明二、格式要求一用“三、編制程序及時(shí)間要求編 寫 大 綱一、總體進(jìn)展情況1.課題中期總體進(jìn)展情況課題3包括方向一的中期任務(wù)完成狀態(tài)及與任務(wù)書的對照如下表:表1.PandaX-III低本底低噪聲讀出電子學(xué)的中期完成情況中期狀態(tài)結(jié)果>1000路1024路好于任務(wù)書要求<10fC<6fC好于任務(wù)書要求<2%<2%達(dá)到任務(wù)書要求>10Hz>280Hz好于任務(wù)書要求方向二的中期任務(wù)完成狀態(tài)及與任務(wù)書的對照如下表:表2.液氬探測器大規(guī)模波形數(shù)字化電子學(xué)的中期完成情況中期狀態(tài)結(jié)果>8路8路達(dá)到任務(wù)書要求5pC~1nC5pC~1nC(200倍)達(dá)到任務(wù)書要求0~200MHz0~240MHz好于任務(wù)書要求500MSps1GSps好于任務(wù)書要求12bit14bit好于任務(wù)書要求2.課題調(diào)整情況無。3 PandaX-IIITPC大規(guī)模低本底低噪聲讀出電子學(xué)研究方向1)PandaX-III實(shí)驗(yàn)讀出電子學(xué)方案設(shè)計(jì)1年度,本課題配合項(xiàng)目牽頭單位上海交通大學(xué),參與了CDR(1)讀出通道數(shù):根據(jù)任務(wù)書,需要實(shí)現(xiàn)>6000路讀出通道(項(xiàng)目開展過1049682網(wǎng)信號,共計(jì)10752通道的信號讀出);(2)積分非線性:小于2%;(3)噪聲:小于10fC(項(xiàng)目開展過程中,根據(jù)探測器組給出的信號特征對該指標(biāo)進(jìn)行了重新評估,根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際需要,最終實(shí)現(xiàn)的讀出電子學(xué)系統(tǒng)噪聲應(yīng)小于6fC,與任務(wù)書指標(biāo)兼容);(4)系統(tǒng)觸發(fā)率:>10Hz。根據(jù)PandaX-III實(shí)驗(yàn)的總體需求及探測器信號的特點(diǎn),課題組對國際上主流的ASIC芯片進(jìn)行了調(diào)研,最終選擇了法國Saclay實(shí)驗(yàn)室的AGET芯片作為讀出該信號的完整波形,其輸出的是成形后波形的完整信息,滿足本項(xiàng)目的讀出需求。在選定了ASIC芯片之后,我們開展了讀出電子學(xué)方案預(yù)研,設(shè)計(jì)了基于AGET芯片的原型電子學(xué),驗(yàn)證了技術(shù)路線的可行性。PandaX-III1PandaX-III實(shí)驗(yàn)的讀出電子學(xué)系統(tǒng)方案。PandaX-IIIMicromegas探測器的陽極條信號和絲網(wǎng)信號通過轉(zhuǎn)接板(AdB)分別連接到前端讀出板(FEC)Mesh讀出板(MRC),Mesh讀出板輸出的數(shù)據(jù)則通過光纖傳輸給后端的數(shù)據(jù)匯總模塊(S-TDCM)和時(shí)鐘觸發(fā)模塊(MTCM),以太網(wǎng)傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理。圖1.PandaX-III讀出電子學(xué)的結(jié)構(gòu)框圖前端讀出板(FEC)作為讀出系統(tǒng)的核心,負(fù)責(zé)完成對Micromegas探測器的陽極條信號進(jìn)行放大成形、模數(shù)轉(zhuǎn)換。每塊FEC可讀出256路信號,單個(gè)TPC端蓋需要21塊前端讀出板,整個(gè)系統(tǒng)則共需要42塊。Mesh讀出板(MRC)負(fù)責(zé)對Micromegas探測器的絲網(wǎng)信號進(jìn)行放大成形、模數(shù)轉(zhuǎn)換等。2S-TDCMFEC板上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總并FEC板分發(fā)時(shí)鐘、觸發(fā)命令等信息。MTCMMRCS-TDCM,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)觸發(fā)同步。如圖2所示為前端讀出板的原理框圖。OpticalfibreOpticalfibreO/EDCPower(+4.7V~+6V)+3.3VFPGAto4AGETsADCAGETAGETAGETDiodeArrayCon.DiodeCon.DiodeCon.DiodeArrayCon.ADCADCDCADCAClockDistributorRegulatorAGETCali.circuit圖2.前端讀出板原理框圖2)PandaX-III實(shí)驗(yàn)讀出電子學(xué)原型的研制及探測器聯(lián)調(diào)兩年來,課題組完成了三個(gè)版本的前端讀出板(FEC-V1、V2、V3)、3版本的數(shù)據(jù)獲取板(DAQ)以及第一版時(shí)鐘觸發(fā)板(MTCM-V1)的設(shè)計(jì)。其DAQ1的數(shù)據(jù)匯總模塊(S-TDCM)和時(shí)鐘觸發(fā)模塊(MTCM)FECFECTPC圖4.數(shù)據(jù)獲取板(DAQ-V3)實(shí)物照片圖5.時(shí)鐘觸發(fā)板(MTCM-V1)實(shí)物照片40TPC4塊FEC1024期目標(biāo)(1000通道),4FECDAQ板的小系統(tǒng)聯(lián)調(diào),6所示。經(jīng)測試,各電路模塊功能正常,F(xiàn)ECDAQ之間的數(shù)據(jù)傳輸完280Hz以上,好于任務(wù)書要求的10Hz。圖6.原型電子學(xué)(4塊FEC,合計(jì)1024通道)測試現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)室測試完成后,課題組還于2017年1月、2017年6月、2018年1月、2018340kgTPC7所示。通過聯(lián)調(diào)測試初步證明了讀出電子學(xué)TPCMicromegas探測器能夠配合工作,且電子學(xué)性能符合預(yù)期,但進(jìn)一步的聯(lián)調(diào)測試還有待開展。圖7.讀出電子學(xué)與原型TPC的聯(lián)調(diào)測試現(xiàn)場 液氬探測器光電倍增管大規(guī)模波形數(shù)字化研究方向1)液氬探測器讀出電子學(xué)方案設(shè)計(jì)精度波形數(shù)字化所需要的高數(shù)據(jù)率傳輸能力。PXIe100PMT快信號8所示。離線分析PMT離線分析PMT探測器前端數(shù)字化模塊1前端數(shù)字化模塊n主機(jī)箱從機(jī)箱服務(wù)器觸發(fā)時(shí)鐘處理模塊圖8.液氬探測器讀出電子學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖(DMPMT探ADCAD968014bt1GP(12bt50MPS要求43UPXIe其次還需要設(shè)計(jì)觸發(fā)時(shí)鐘處理模塊,通過機(jī)箱的差分星形線A、B下發(fā)全局同步時(shí)鐘和觸發(fā)信號;FDM通過差分星形線C將觸發(fā)所需信息傳給本機(jī)箱的時(shí)鐘觸發(fā)模塊;主從機(jī)箱的時(shí)鐘觸發(fā)模塊之間由光纖進(jìn)行通信。425PXIe211個(gè)觸發(fā)時(shí)鐘模塊和多個(gè)前端數(shù)字化模塊。PMT(或經(jīng)過快前放之后FDM用作離線分析。2)電子學(xué)研制和測試2006-2007(ADCJESD204B高速串行接口)2通道9且各項(xiàng)指標(biāo)與數(shù)據(jù)手冊吻合,達(dá)到了預(yù)期目的。圖9.本課題研制的原型前端數(shù)字化模塊電路實(shí)物隨后,課題組于2007年兩次赴高能物理研究所,與液氬探測器開展了聯(lián)調(diào)測試,測試現(xiàn)場如圖10所示。圖10.原型電子學(xué)與液氬探測器聯(lián)測現(xiàn)場經(jīng)過測試,不僅驗(yàn)證了原型電子學(xué)模塊的數(shù)據(jù)采集功能,且完成了PMT信2018式版本的讀出電子學(xué)(FDM)的設(shè)計(jì)。11FDM24PXIe12FDMPXIe機(jī)箱的測試現(xiàn)場。圖11.前端數(shù)字化模塊(FDM-V1)實(shí)物照片圖12.FDM在PXIe機(jī)箱中的測試現(xiàn)場20184240MHz6PMT圖13.設(shè)計(jì)完成的第一版前置放大器FDM28所協(xié)調(diào),下一次聯(lián)調(diào)即將于2018年8月開展。2.預(yù)期社會經(jīng)濟(jì)效益(1)科學(xué)價(jià)值和應(yīng)用前景課題所研究的大規(guī)模高壓氙氣Micromegas探測器讀出電子學(xué),對于推動新型微結(jié)構(gòu)氣體探測器在國內(nèi)的應(yīng)用具有重要意義,針對這一物理實(shí)驗(yàn)所探索的微結(jié)構(gòu)氣體探測器的讀出方法,在核物理、核醫(yī)學(xué)、工業(yè)CT等領(lǐng)域也具有應(yīng)用價(jià)值。本課題所探索的大規(guī)模低本底電子學(xué),在國內(nèi)屬于首次,具有開創(chuàng)性的意義,對于我國未來的其他地下實(shí)驗(yàn)也具有參考價(jià)值。(2)論文成果及學(xué)術(shù)交流情況[1]ChengLi,ChangqingFeng,JianingDong,DanyangZhu,ShubinLiu,QiAn,DesignoftheFPGA-basedGigabitSerialLinkforPandaX-IIIPrototypeTPC[J],RadiationDetectionTechnologyandMethods,(2017)1:25.[2]C.Li,C.Q.Feng,D.Y.Zhu,S.B.LiuandQ.An,Anopticalfiber-basedflexiblereadoutsystemformicro-patterngasdetectors,2018JINST13P04013.[3]TPCMicromegas201611)[4]李誠,PandaX-IIITPCMicromegas數(shù)據(jù)讀出電子學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)展,第六屆全國微結(jié)構(gòu)氣體探測器研討會,2016年11月,北京(口頭報(bào)告)[5]朱丹陽,PandaX-IIITPCMicroMegasMesh讀出電子學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)展,第六屆全國微結(jié)構(gòu)氣體探測器研討會,2016年11月,北京(口頭報(bào)告)[6]董家寧,PandaX-III讀出電子學(xué)設(shè)計(jì),第十二屆全國粒子物理學(xué)術(shù)會議,2016年8月,合肥(口頭報(bào)告)[7]李誠,DesignoftheFPGA-basedGigabitSerialLinkforPandaX-IIIPrototypeTPC,TheTechnologyandInstrumentationinParticlePhysics2017conference,2017年5月,北京[8]封常青,ProgressofPandaX-IIIreadoutelectronic,TheTechnologyandInstrumentationinParticlePhysics2017conference,2017年5月,北京(口頭報(bào)告)[9]封常青,PandaX-III前端讀出電子學(xué)進(jìn)展,第七屆全國先進(jìn)氣體探測器研討會,2017年11月,南寧(口頭報(bào)告)[10]DanyangZhu,etal,DevelopmentoftheFront-EndElectronicsforPandaX-IIIPrototypeTPC,21thIEEEReal-TimeConference,Williamsburg,June2018(oral).[11]S.Liu,etal,DesignofMesh-SignalReadoutElectronicsforPandaX-IIIPrototypeTPC,21thIEEEReal-TimeConference,Williamsburg,June2018(poster).[12]X.Zhu,etal,DesignofPrototypeFront-endDigitalModuleforDirectDarkMatterDetectionbasedonLar,21thIEEEReal-TimeConference,Williamsburg,June2018(3)人才培養(yǎng)情況自2016年度立項(xiàng)以來,通過本項(xiàng)目的支持,課題組一共培養(yǎng)了2位博士畢業(yè)生、1位碩士畢業(yè)生和多位本科畢業(yè)生。其中博士、碩士畢業(yè)論文如下:[1]田靜,基于AGET芯片的時(shí)間投影室前端電子學(xué)研究,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士論文(2016年6月).[2]董家寧,PandaX-III實(shí)驗(yàn)前端讀出電子學(xué)方法研究,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士論文(2017.6)[3]李誠,PandaX-III實(shí)驗(yàn)讀出電子學(xué)系統(tǒng)研究,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士論文(2018.6)(4)成果推廣應(yīng)用情況目前國內(nèi)的微結(jié)構(gòu)氣體探測器研究正在如火如荼的發(fā)展,應(yīng)用場合也正在不斷拓展,但在讀出電子學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面,國內(nèi)卻還比較滯后。這導(dǎo)致少部分NIMASIC系統(tǒng)的靈活性、通用性和可擴(kuò)展性方面受到限制。2013(本課題負(fù)責(zé)人的帶領(lǐng)下,開展了微結(jié)構(gòu)氣體探測器可擴(kuò)展讀出系統(tǒng)的研究并取得了初步成PandaX-III實(shí)驗(yàn)研AGET芯片的采用全光纖鏈路、PandaX-III實(shí)驗(yàn)的需要,對于其他類似的微結(jié)構(gòu)氣體探測器(Micromegas、GEM)具有一定的通用性,吸引了國內(nèi)許多單位的興趣。在不影響PandaX-III項(xiàng)目進(jìn)度的前提下,課題組封常青副教授申請了所在的核探測與核電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的自主課題,在PandaX-III讀出電子學(xué)成果的基礎(chǔ)上,開展了“微結(jié)構(gòu)氣體探測器通用可擴(kuò)展電子學(xué)系統(tǒng)”的研究,研制完成的AGET通用電子學(xué)系統(tǒng)目前已經(jīng)在高能物理研究所、中科院近代物理研究單位的氣體探測器研究提供了極大方便。三、課題人員及經(jīng)費(fèi)投入使用情況1.人員及經(jīng)費(fèi)投入情況序號姓名序號姓名性別技術(shù)職稱職務(wù)學(xué)位人員分類工作單位1劉樹彬男正高級教授,副系主任博士課題負(fù)責(zé)人中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)2封常青男副高級副教授博士課題骨干中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)3湯家駿男正高級研究員、副處長學(xué)士課題骨干中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)4金西男副高級副教授學(xué)士課題骨干中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)5王硯方男正高級教授(退休返聘)學(xué)士其他中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)6王穎穎女其他質(zhì)量管理員學(xué)士其他中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)7花敬娟女其他技師其他其他中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)到目前為止,本課題經(jīng)費(fèi)到位及支出情況如下:序號專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)執(zhí)行情況資金預(yù)算資金已到位資金到位率實(shí)際支出實(shí)際支出占預(yù)算%1850.87613.8372.14%241.9528.44%本課題由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獨(dú)立承擔(dān),不涉及向其它參與單位撥款。3.人員及經(jīng)費(fèi)實(shí)際調(diào)整情況無。四、課題配套支撐條件情況課題組所在單位(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué))為本課題的執(zhí)行提供了良好的支撐條件,能夠滿足本課題研究工作的

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