用于大型國(guó)際項(xiàng)目中微子識(shí)別的TS-Spectrum高速數(shù)字化儀

一、應(yīng)用背景

此前人們認(rèn)為中微子粒子是沒有質(zhì)量的。直到近些年，人們才意識(shí)到中微子粒子質(zhì)量很小，并能在三種不同“味道”之間相互切換。這些被稱為“幽靈粒子”的中微子粒子通常能夠穿過大多數(shù)普通物質(zhì)而不被檢測(cè)到，因此人們常常需要借助專業(yè)的探測(cè)器對(duì)其進(jìn)行研究。最新的中微子實(shí)驗(yàn)裝置JUNO位于中國(guó)江門地下750米處，是由來自全球17個(gè)國(guó)家74所大學(xué)和國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的730名科學(xué)家合作完成，耗資4億歐元。TS-Spectrum高速數(shù)字化儀則被用于該實(shí)驗(yàn)裝置的核心部分——液體閃爍體。

JUNO被精確地放置于八個(gè)現(xiàn)有的核反應(yīng)堆之間，為研究提供了中微子源。它的核心是一個(gè)直徑為34.5米的巨型且透明度極高的丙烯酸球體，里面裝有2萬噸經(jīng)過特殊處理的類似油性物質(zhì)。這種液體閃爍體與中微子相互作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生光子，并被一個(gè)3.5萬噸的水池包圍。環(huán)繞球體的4.5萬余根光電倍增管（PMTs）能夠檢測(cè)到光子。慕尼黑工業(yè)大學(xué)和美茵茨大學(xué)的研究小組在高精度、實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的實(shí)驗(yàn)中使用了TS-Spectrum的M4i.2212數(shù)字化儀卡描述液體閃爍體，這對(duì)數(shù)據(jù)采集的要求非常高。當(dāng)JUNO探測(cè)器在2024年底正式投入使用時(shí)，它將成為人類建造的最大型的液態(tài)中微子探測(cè)器。該探測(cè)器將顯著提升我們對(duì)這些幽靈粒子之間相互作用以及性質(zhì)的認(rèn)知。

二、中微子探測(cè)器

丙烯酸球體的中央是一層被水包圍著的液體閃爍體。即使最少量的雜質(zhì)都可能含有放射性物質(zhì)，因此這兩者必須非常純凈。在設(shè)備建造的過程中，所有工人都必須佩戴兩幅手套，因?yàn)橹讣y上的汗液有可能污染并毀掉整個(gè)項(xiàng)目。探測(cè)器被置放于地下750米處的專用實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，用以屏蔽四周的輻射。

當(dāng)中微子與液體閃爍體（LS）相互作用時(shí)，能將相互作用的能量傳遞給該物質(zhì)的分子。液體閃爍體的巨大光輸出（通常 > 10.000 Photons / MeV）能夠確保能量的精準(zhǔn)傳遞。如果能夠重構(gòu)入射中微子的方向?qū)⒋笥旭砸妗碜灾形⒆映跏纪ǖ赖奈⑷醯哂卸ㄏ蛐缘那袀惪品蚬馔ㄟ^水與之匹配，將為物理學(xué)家的研究提供重要的信息。

慕尼黑工業(yè)大學(xué)和美茵茨大學(xué)目前研究液體閃爍體的目的是將漫射光中的快而微弱的切倫科夫光分離出來，以便同時(shí)進(jìn)行能量和方向重構(gòu)。于是，在Hans Steiger博士的率領(lǐng)下，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并建造了幾臺(tái)具有增強(qiáng)光收集能力和時(shí)間分辨率的精密臺(tái)式實(shí)驗(yàn)裝置。

圖2.德思特Spectrum的M4i.2212-x8 PCIe數(shù)字化儀，采樣速度1.25 GS/s，能同時(shí)處理4個(gè)通道的數(shù)據(jù)

“我們之所以選擇TS-Spectrum的數(shù)字化卡是因?yàn)槠渥吭降男阅堋?/strong>與市場(chǎng)同類產(chǎn)品相比，TS-Spectrum的產(chǎn)品不僅性價(jià)比更高，而且能夠定制化?！痹擁?xiàng)目的負(fù)責(zé)人Hans Steiger博士表示，“我們能夠通過TS-Spectrum產(chǎn)品的模塊式設(shè)計(jì)精準(zhǔn)選擇所需的一切功能，無需為額外或附加功能買單。此外，這些產(chǎn)品還是標(biāo)準(zhǔn)的PCIe卡，這就意味著日后我們獲得更多預(yù)算時(shí)，能夠在標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)機(jī)箱中擴(kuò)展我們的系統(tǒng)。作為參與大型長(zhǎng)期國(guó)際項(xiàng)目的大學(xué)，我們需要選用可靠的零部件?！?/p>