國(guó)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)

附件2： ：國(guó)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(cè)器的直接暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)課題名稱：用于暗物質(zhì)探測(cè)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(guó)科學(xué)技術(shù)部2018年7月13日編 報(bào) 要 求一、內(nèi)容說(shuō)明二、格式要求一用“三、編制程序及時(shí)間要求編 寫(xiě) 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(shū)的對(duì)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(shū)要求<10fC<6fC好于任務(wù)書(shū)要求<2%<2%達(dá)到任務(wù)書(shū)要求>10Hz>280Hz好于任務(wù)書(shū)要求方向二的中期任務(wù)完成狀態(tài)及與任務(wù)書(shū)的對(duì)照如下表：表2.液氬探測(cè)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(shū)要求5pC~1nC5pC~1nC（200倍）達(dá)到任務(wù)書(shū)要求0~200MHz0~240MHz好于任務(wù)書(shū)要求500MSps1GSps好于任務(wù)書(shū)要求12bit14bit好于任務(wù)書(shū)要求2.課題調(diào)整情況無(wú)。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(shū)，需要實(shí)現(xiàn)>6000路讀出通道（項(xiàng)目開(kāi)展過(guò)1049682網(wǎng)信號(hào)，共計(jì)10752通道的信號(hào)讀出）；（2）積分非線性：小于2%；（3）噪聲：小于10fC（項(xiàng)目開(kāi)展過(guò)程中，根據(jù)探測(cè)器組給出的信號(hào)特征對(duì)該指標(biāo)進(jìn)行了重新評(píng)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(shū)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(cè)器信號(hào)的特點(diǎn)，課題組對(duì)國(guó)際上主流的ASIC芯片進(jìn)行了調(diào)研，最終選擇了法國(guó)Saclay實(shí)驗(yàn)室的AGET芯片作為讀出該信號(hào)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(kāi)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(cè)器的陽(yáng)極條信號(hào)和絲網(wǎng)信號(hào)通過(guò)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(guò)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(duì)Micromegas探測(cè)器的陽(yáng)極條信號(hào)進(jìn)行放大成形、模數(shù)轉(zhuǎn)換。每塊FEC可讀出256路信號(hào)，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(duì)Micromegas探測(cè)器的絲網(wǎng)信號(hào)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(cè)器聯(lián)調(diào)兩年來(lái)，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(cè)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(shū)要求的10Hz。圖6.原型電子學(xué)（4塊FEC，合計(jì)1024通道）測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)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(guò)聯(lián)調(diào)測(cè)試初步證明了讀出電子學(xué)TPCMicromegas探測(cè)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(cè)試還有待開(kāi)展。圖7.讀出電子學(xué)與原型TPC的聯(lián)調(diào)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng) 液氬探測(cè)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(cè)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(hào)8所示。離線分析PMT離線分析PMT探測(cè)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(cè)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(guò)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(hào)；FDM通過(guò)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(guò)快前放之后FDM用作離線分析。2）電子學(xué)研制和測(cè)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(cè)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(cè)器開(kāi)展了聯(lián)調(diào)測(cè)試，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖10所示。圖10.原型電子學(xué)與液氬探測(cè)器聯(lián)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)過(guò)測(cè)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(cè)試現(xiàn)場(chǎng)。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(cè)試現(xiàn)場(chǎng)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(kāi)展。2.預(yù)期社會(huì)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(cè)器讀出電子學(xué)，對(duì)于推動(dòng)新型微結(jié)構(gòu)氣體探測(cè)器在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用具有重要意義，針對(duì)這一物理實(shí)驗(yàn)所探索的微結(jié)構(gòu)氣體探測(cè)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(guó)內(nèi)屬于首次，具有開(kāi)創(chuàng)性的意義，對(duì)于我國(guó)未來(lái)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(chéng)，PandaX-IIITPCMicromegas數(shù)據(jù)讀出電子學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)展，第六屆全國(guó)微結(jié)構(gòu)氣體探測(cè)器研討會(huì),2016年11月，北京（口頭報(bào)告）[5]朱丹陽(yáng)，PandaX-IIITPCMicroMegasMesh讀出電子學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)展，第六屆全國(guó)微結(jié)構(gòu)氣體探測(cè)器研討會(huì),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(guó)粒子物理學(xué)術(shù)會(huì)議，2016年8月，合肥（口頭報(bào)告）[7]李誠(chéng)，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(guó)先進(jìn)氣體探測(cè)器研討會(huì)，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(lái)，通過(guò)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(guó)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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士論文（2017.6）[3]李誠(chéng)，PandaX-III實(shí)驗(yàn)讀出電子學(xué)系統(tǒng)研究，中國(guó)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(guó)內(nèi)的微結(jié)構(gòu)氣體探測(cè)器研究正在如火如荼的發(fā)展，應(yīng)用場(chǎng)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(guó)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(kāi)展了微結(jié)構(gòu)氣體探測(cè)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(duì)于其他類似的微結(jié)構(gòu)氣體探測(cè)器（Micromegas、GEM）具有一定的通用性，吸引了國(guó)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(qǐng)了所在的核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)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(kāi)展了“微結(jié)構(gòu)氣體探測(cè)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(cè)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(hào)姓名序號(hào)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(shù)彬男正高級(jí)教授，副系主任博士課題負(fù)責(zé)人中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)2封常青男副高級(jí)副教授博士課題骨干中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)3湯家駿男正高級(jí)研究員、副處長(zhǎng)學(xué)士課題骨干中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)4金西男副高級(jí)副教授學(xué)士課題骨干中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)5王硯方男正高級(jí)教授（退休返聘）學(xué)士其他中國(guó)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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)7花敬娟女其他技師其他其他中國(guó)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(hào)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(guó)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(wú)。四、課題配套支撐條件情況課題組所在單位（中國(guó)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