暗物質(zhì)粒子探測器觸發(fā)邏輯測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)?

張 磊? 郭建華 張永強(qiáng)

(1中國科學(xué)院紫金山天文臺南京210008)(2中國科學(xué)院暗物質(zhì)與空間天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室南京210008)(3中國科學(xué)院大學(xué)北京100049)

暗物質(zhì)粒子探測器觸發(fā)邏輯測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)?

張 磊1,2,3,?郭建華1,2張永強(qiáng)1,2

(1中國科學(xué)院紫金山天文臺南京210008)(2中國科學(xué)院暗物質(zhì)與空間天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室南京210008)(3中國科學(xué)院大學(xué)北京100049)

作為暗物質(zhì)粒子探測器(DAMPE,Dark Matter Particle Explorer)的一部分,觸發(fā)系統(tǒng)主要用于判選所需探測的目標(biāo)粒子(高能電子和伽瑪射線)事例,剔除非目標(biāo)粒子事例.觸發(fā)系統(tǒng)由觸發(fā)探測器和觸發(fā)判選邏輯電路組成.介紹了觸發(fā)地檢測試系統(tǒng)和宇宙線觸發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和功能實(shí)現(xiàn).觸發(fā)地檢系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對觸發(fā)判選邏輯電路的電子學(xué)驗(yàn)證;另外,配合宇宙線觸發(fā)系統(tǒng)對部分觸發(fā)邏輯和觸發(fā)效率進(jìn)行了測試.主要介紹了觸發(fā)系統(tǒng)的測試方法和一些初步測試結(jié)果.

儀器:探測器,暗物質(zhì),方法:實(shí)驗(yàn)室

1 引言

早在1933年,Zwicky[1]指出,大的星系團(tuán)中的星系速度太大,以至于無法通過引力束縛住他們,除非他們的質(zhì)量超過星系團(tuán)總質(zhì)量估算值的100倍以上,需要引入暗物質(zhì)的概念來解釋這部分多出來的引力.但是這一發(fā)現(xiàn)沒有引起人們的足夠重視.直到上世紀(jì)70年代,美國科學(xué)家Rubin等人通過對漩渦星系的觀測結(jié)果,使得暗物質(zhì)這個概念被科學(xué)界廣泛認(rèn)識[2].

由于實(shí)驗(yàn)和觀測手段的提高,尤其是空間天文學(xué)的大發(fā)展,暗物質(zhì)和暗能量的存在已被普遍認(rèn)知.目前的觀測表明,我們看得見摸得著的普通物質(zhì)只占宇宙構(gòu)成的4%,而宇宙的主要成分是暗物質(zhì)(約占22%)和暗能量(約占74%).

目前探測暗物質(zhì)粒子的手段有直接測量和間接測量兩種.間接測量的方法,主要是通過觀測暗物質(zhì)衰變或者湮滅產(chǎn)生的穩(wěn)定的次級粒子,如伽瑪粒子和電子等.目前國際上已有多個間接測量的探測實(shí)驗(yàn),如ATIC(Advanced Thin Ionization Calorimeter),PAMELA(Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics)等,對它們的觀測都發(fā)現(xiàn)宇宙高能電子能譜在300～800 Gev之間有個異常超出[3].由于以上探測器的設(shè)計(jì)初衷均不是探測電子,因此還需要更多的以間接探測暗物質(zhì)為目標(biāo)的高精度探測器.由中國科學(xué)院紫金山天文臺提出的中國空間暗物質(zhì)探測衛(wèi)星計(jì)劃,希望通過在空間觀測高能電子(正電子)和伽瑪射線能譜,來進(jìn)一步找到暗物質(zhì)粒子的存在證據(jù).

作為粒子物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)在空間科學(xué)上的延伸,暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星與地面粒子物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成類似,包括各種高能粒子探測器、讀出電子學(xué)系統(tǒng)、觸發(fā)判選系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸和處理系統(tǒng)等.其中觸發(fā)判選系統(tǒng)主要由觸發(fā)探測器和觸發(fā)判選邏輯電路構(gòu)成,作用是通過探測器的硬件邏輯對目標(biāo)事例進(jìn)行初步甄選,大大提高探測器的探測效率.

2 暗物質(zhì)粒子探測器的觸發(fā)系統(tǒng)及地面測試需求

2.1 觸發(fā)系統(tǒng)組成和觸發(fā)原理

暗物質(zhì)粒子探測器的觸發(fā)系統(tǒng)如圖1所示,它由暗物質(zhì)粒子探測器中部分BGO(鍺酸鉍)量能器[4-5]組成的觸發(fā)探測器和觸發(fā)判選邏輯電路構(gòu)成.

圖1 暗物質(zhì)粒子探測器觸發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成Fig.1 The trigger system of DAMPE

BGO量能器是由14層BGO晶體的立體陣列和其對應(yīng)的FEE(Front End Electronics)板組成.暗物質(zhì)探測器在軌工作期間,當(dāng)高能粒子入射到BGO量能器的立體陣列中并發(fā)生簇射,與各層晶體發(fā)生作用產(chǎn)生光子,由晶體兩端的PMT(光電培增管)轉(zhuǎn)換成電信號.此信號將送入FEE中的專用讀出芯片VATA160進(jìn)行濾波成型、比較甄別,若信號幅度超過閾值會產(chǎn)生一個擊中信號送入到觸發(fā)板[6].

如果高能粒子作用于各層BGO而產(chǎn)生的擊中信號滿足觸發(fā)判選邏輯,則觸發(fā)板會產(chǎn)生觸發(fā)信號,由載荷數(shù)據(jù)管理器轉(zhuǎn)發(fā)給各個子探測器,“告知”它們將此目標(biāo)信號記錄下來.

根據(jù)觸發(fā)探測器的結(jié)構(gòu),參與觸發(fā)邏輯判選的共32路擊中信號.這32路信號由14層BGO陣列中的1、2、3、4、11、12、13、14層產(chǎn)生,每層分別從正方向和負(fù)方向分別取打拿極5和打拿極8的擊中信號.根據(jù)BGO量能器的設(shè)計(jì),這32路信號的閾值會有所不同,當(dāng)某路信號幅度超過所設(shè)閾值,就會由該路FEE產(chǎn)生1 000 ns寬度的擊中信號脈沖提供給觸發(fā)判選邏輯電路.

觸發(fā)板接收到BGO量能器發(fā)送的擊中信號后,在觸發(fā)窗口(800 ns左右)內(nèi)對擊中信號進(jìn)行觸發(fā)邏輯的匹配[7].在觸發(fā)窗口匹配過程中,32路擊中信號將按照觸發(fā)判選邏輯來進(jìn)行邏輯操作.不同粒子作用于BGO量能器會產(chǎn)生不同的擊中信號,需要不同的判選邏輯進(jìn)行甄別.為了在運(yùn)行過程中能夠靈活設(shè)置邏輯,觸發(fā)板的觸發(fā)判選邏輯中將所需要的邏輯分為3組(每組8種,共24種):組0主要為MIPS(最小電離粒子)判選邏輯,用于選擇質(zhì)子或者氦核的MIPS信號;組1主要用于選擇高能電子和質(zhì)子;組2為備用邏輯,主要為了避免擊中信號出現(xiàn)異常影響觸發(fā)判選,在組2的邏輯中不同的擊中信號均增加了冗余措施.

另外,在地面測試階段,為了測試需要,觸發(fā)板還會接收和輸出部分測試信號:有效觸發(fā)測試信號(它是考慮“死時間”等影響后最終輸出給各個探測器FEE,用于采集科學(xué)數(shù)據(jù)的觸發(fā)信號)、符合觸發(fā)測試信號(只要輸入到觸發(fā)板的擊中信號滿足所設(shè)定的觸發(fā)條件,即輸出符合觸發(fā)信號)、16位串行的觸發(fā)ID號測試信號和外觸發(fā)輸入測試信號.本文中所進(jìn)行的測試,主要利用這部分測試信號和觸發(fā)信號完成.

2.2 觸發(fā)判選測試需求

暗物質(zhì)粒子探測器中,觸發(fā)系統(tǒng)的觸發(fā)判選邏輯電路(以下簡稱觸發(fā)板)由紫金山天文臺空間天文實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì).觸發(fā)板中的判選邏輯,是整個觸發(fā)系統(tǒng)的關(guān)鍵,已經(jīng)由相關(guān)的科研人員按照目標(biāo)粒子的物理模型模擬得出.觸發(fā)板中判選邏輯的設(shè)計(jì)和使用需經(jīng)過以下過程:首先需要嚴(yán)格按照上述模擬結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì),然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和調(diào)整,最后再投入使用.因此,觸發(fā)板設(shè)計(jì)完成后,必須對觸發(fā)板中所實(shí)現(xiàn)的觸發(fā)判選邏輯進(jìn)行驗(yàn)證.

本文介紹觸發(fā)邏輯測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn),從兩個方面對觸發(fā)判選邏輯進(jìn)行測試:一是利用整套地檢系統(tǒng)對觸發(fā)判選邏輯進(jìn)行電子學(xué)驗(yàn)證,檢驗(yàn)邏輯內(nèi)容是否與設(shè)計(jì)需求(理論模擬得出)相符;二是利用部分地檢系統(tǒng),配合宇宙線觸發(fā)系統(tǒng)對部分觸發(fā)判選邏輯進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,這部分內(nèi)容同時也對觸發(fā)系統(tǒng)的觸發(fā)效率進(jìn)行了測試,得到了初步結(jié)果.

3 觸發(fā)測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)測試需求,測試系統(tǒng)主要包含兩部分:地檢系統(tǒng)和宇宙線觸發(fā)系統(tǒng).

3.1 地檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鑒于以上觸發(fā)判選邏輯電路的工作原理,設(shè)計(jì)如圖2所示的地檢系統(tǒng),它主要由CPU接口板、擊中與觸發(fā)地檢板(以下簡稱地檢板)和上位機(jī)PC構(gòu)成.CPU接口板用于對觸發(fā)板進(jìn)行控制;地檢板用于模擬觸發(fā)探測器,產(chǎn)生32路擊中信號.測試中,由CPU接口板將觸發(fā)板配置到需要的工作模式,對地檢板產(chǎn)生的擊中信號進(jìn)行邏輯判選,輸出觸發(fā)信號.地檢板同時接收觸發(fā)板產(chǎn)生的專用測試信號(外觸發(fā)測試信號、有效觸發(fā)測試信號、符合觸發(fā)測試信號、觸發(fā)ID號測試信號),以及由CPU接口板轉(zhuǎn)發(fā)的觸發(fā)信號.觸發(fā)地檢板通過對比在某組觸發(fā)判選邏輯下,由觸發(fā)板產(chǎn)生的實(shí)際觸發(fā)信號和地檢板存儲的擊中信息(包含該擊中事例下是否會有觸發(fā)信號),從而判斷該組觸發(fā)判選邏輯是否工作正常.圖2中UART為通用異步收發(fā)傳輸器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter).

圖2 觸發(fā)邏輯測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 The diagram of the test system for the trigger logic

3.1.1 CPU接口板的設(shè)計(jì)

CPU接口板如圖3所示,它由CPU控制芯片(單片機(jī))、總線驅(qū)動芯片和電源芯片等構(gòu)成.CPU接口板由PC通過串口進(jìn)行控制,板上的主控芯片單片機(jī)會產(chǎn)生與觸發(fā)板相對應(yīng)的控制信號,通過8位地址總線和8位數(shù)據(jù)總線對觸發(fā)板的內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀取.同時由CPU接口板提供觸發(fā)板所需要的3種電源.

圖3 CPU控制板的結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 The diagram of the CPU control board

3.1.2 擊中與觸發(fā)地檢板的設(shè)計(jì)

地檢板是觸發(fā)判選邏輯測試系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分,用于模擬觸發(fā)探測器產(chǎn)生擊中信號.地檢板的硬件結(jié)構(gòu)組成如圖4,它由主控芯片F(xiàn)PGA(Field Programmable Gate Array)、總線驅(qū)動芯片、擊中信號驅(qū)動芯片、串行通訊接口和供電系統(tǒng)等構(gòu)成.工作時,PC機(jī)通過串行通訊接口對地檢板的主控芯片F(xiàn)PGA進(jìn)行配置,由FPGA的通用I/O口產(chǎn)生與觸發(fā)探測器相同的32路擊中信號,該擊中信號需要經(jīng)過RS422信號驅(qū)動芯片進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換,再送入觸發(fā)板中.另外,上文提到的測試信號也會接入到地檢板的FPGA中進(jìn)行處理.

圖4 擊中信號生成板(地檢板)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 The hardware diagram of the hit signal generator board

地檢板的主要功能是由FPGA完成,其特性是可以根據(jù)硬件描述語言模擬硬件邏輯電路,地檢板的邏輯部分所指的就是FPGA的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)和功能模塊,如圖5所示.

當(dāng)高能粒子進(jìn)入BGO量能器后,BGO量能器與之作用,將產(chǎn)生一組共32路擊中信號.為模仿此過程,地檢板產(chǎn)生32路信號以組為單位發(fā)送,一組信號記為一個擊中事例,擊中事例間的時間間隔可調(diào).一個擊中事例的描述信息包括擊中信號的脈沖寬度、信號延時、事例間隔、觸發(fā)板將能否產(chǎn)生觸發(fā)等參數(shù),將這些參數(shù)用約定的數(shù)字量描述,構(gòu)成一個數(shù)據(jù)幀.地檢板工作前先進(jìn)行配置,將擊中事例的數(shù)據(jù)幀通過PC機(jī)預(yù)先通過UART串口接收,經(jīng)過“指令與數(shù)據(jù)解析模塊”解析后,存儲在地檢板FPGA芯片的DPRAM(Dual Port Random Access Memory)中.測試中,PC機(jī)通過自定義指令控制地檢板的“輸出控制模塊”,擊中信號的輸出模式信息與DPRAM中的事例信息會送到“擊中事例數(shù)據(jù)管理”模塊中進(jìn)行處理;最終通過擊中信號發(fā)送接口輸出.

擊中事例數(shù)據(jù)管理模塊的工作流程如圖6所示,對于單一事例,根據(jù)指令解析得來的擊中數(shù)據(jù)信息,會通過多個計(jì)數(shù)器對時鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù),產(chǎn)生設(shè)定寬度和延遲的一組事例;對于多組事例,在完成一組事例后,也將由計(jì)數(shù)器產(chǎn)生事例間隔時間,然后再發(fā)送下一組事例,發(fā)送完成后,事例計(jì)數(shù)器會檢查是否所有設(shè)定事例發(fā)送完畢.另外地檢板每收到一條來自PC機(jī)的指令,將返回給PC機(jī)一條指令執(zhí)行狀態(tài)信息,驗(yàn)證地檢板的工作是否正常.

圖5 擊中信號生成板(地檢板)軟件功能框圖Fig.5 The software diagram of the hit signal generator board

圖6 擊中事例數(shù)據(jù)管理模塊的工作流程Fig.6 The flow diagram of the data management module of the hit signal

擊中信號發(fā)送后,觸發(fā)板測試信號接口會產(chǎn)生有效觸發(fā)測試信號,符合觸發(fā)測試信號和觸發(fā)ID號測試信號.地檢板首先會對這些測試信號進(jìn)行檢測,判斷有效后由“有效觸發(fā)狀態(tài)參數(shù)”模塊和“擊中事例執(zhí)行狀態(tài)”參數(shù)模塊(圖5)進(jìn)行分析,對比配置數(shù)據(jù)幀的信息,并記錄有效觸發(fā)信號和符合觸發(fā)信號的個數(shù).在外觸發(fā)模式下,外觸發(fā)輸入信號的狀態(tài)信息也會被記錄下來.所有的狀態(tài)信息根據(jù)工作模式的不同,由狀態(tài)信息發(fā)送仲裁模塊進(jìn)行選擇性發(fā)送,PC會對狀態(tài)信息進(jìn)行保存.

3.2 宇宙線觸發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了進(jìn)一步從實(shí)際物理事件的角度測試觸發(fā)系統(tǒng)(觸發(fā)探測器和觸發(fā)判選邏輯電路),還設(shè)計(jì)了宇宙線觸發(fā)系統(tǒng).利用該系統(tǒng)與地檢系統(tǒng)中的地檢板,可以對部分觸發(fā)判選邏輯進(jìn)行測試.由于海平面上的宇宙線多數(shù)為μ子,且觸發(fā)判選邏輯中第0組邏輯可以對μ子事例進(jìn)行觸發(fā)驗(yàn)證,因此這里主要利用μ子來進(jìn)行測試.μ子主要是π介子衰變產(chǎn)生,大多數(shù)μ子產(chǎn)生在大氣上層.由于μ子不參與強(qiáng)相互作用,只與物質(zhì)發(fā)生電磁相互作用和弱相互作用,具有較強(qiáng)的穿透力.海平面上每平方厘米每分鐘大約有1個μ子,平均能量在幾個GeV數(shù)量級.根據(jù)Bethe和Bloch等人給出的入射粒子的平均能量損失率公式[8],μ子在這個能量范圍內(nèi)的能量損失率曲線比較平坦,接近于最小電離粒子MIPS.

使用兩塊大面積塑料閃爍體探測器(簡稱塑閃探測器)將觸發(fā)探測器上下覆蓋,當(dāng)μ子穿過塑料閃爍體探測器時會沉積部分能量,這部分能量通過PMT轉(zhuǎn)換為電信號,經(jīng)過比較甄別形成邏輯信號.將上下兩塊塑料閃爍體探測器產(chǎn)生的邏輯信號進(jìn)行邏輯符合作為外觸發(fā).例如,當(dāng)兩塊塑料閃爍體同時都有信號輸出時,即認(rèn)為μ子穿過了觸發(fā)探測器.宇宙線觸發(fā)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖7所示(A和C為600 mm×600 mm×30 mm的塑料閃爍體探測器,B為825 mm×825 mm×30 mm的塑料閃爍體探測器.其中B是為了覆蓋整個探測器,包括塑閃陣列探測器、BGO量能器、中子探測器.本文中的測試沒有使用該單元,圖中標(biāo)出該單元的目的是可以使科研人員依據(jù)位置關(guān)系建立準(zhǔn)確的探測器模型,減少誤差).

測試時,整個暗物質(zhì)粒子探測器處于外觸發(fā)工作模式,利用外觸發(fā)信號啟動科學(xué)數(shù)據(jù)采集.另外,觸發(fā)板在接收外觸發(fā)信號的同時,會利用BGO量能器產(chǎn)生的擊中信號和觸發(fā)判選邏輯(設(shè)定MIPS標(biāo)定邏輯)產(chǎn)生“符合觸發(fā)測試信號”.每次外觸發(fā)時,地檢板都會記錄外觸發(fā)對應(yīng)的觸發(fā)號、外觸發(fā)期間是否有符合觸發(fā)等,并通過串口將記錄信息返回.該測試分為兩部分:一是通過對比符合觸發(fā)結(jié)果和觸發(fā)板所設(shè)的邏輯,可以從真實(shí)物理事件的角度驗(yàn)證觸發(fā)邏輯的正確性,二是通過對比外觸發(fā)(認(rèn)為是有μ子進(jìn)入探測器)和符合觸發(fā)(表明擊中信號符合設(shè)定的觸發(fā)判選邏輯),可以得到該觸發(fā)判選邏輯和閾值下的觸發(fā)效率.將測試得到的觸發(fā)效率和模擬結(jié)果對比,就可以判斷出觸發(fā)邏輯是否能夠正確工作.

4 測試系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

4.1 地檢系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

通過地檢系統(tǒng)對觸發(fā)判選邏輯的電子學(xué)驗(yàn)證的主要目的是僅驗(yàn)證觸發(fā)板的實(shí)際判選工作是否與設(shè)計(jì)需求(理論模擬得出)相符,無法對模擬結(jié)果的正確性進(jìn)行驗(yàn)證.根據(jù)觸發(fā)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),擊中信號共有32路,全部可能的擊中信號組合共有232種.僅通過人工測試的方式進(jìn)行邏輯遍歷驗(yàn)證是不現(xiàn)實(shí)的,這里利用地檢板中的“邏輯測試模塊”(如圖5所示)與上位機(jī)程序配合自動完成驗(yàn)證工作.測試工作流程如圖8所示.測試中,指令與數(shù)據(jù)解析模塊將被測邏輯(由觸發(fā)板測試人員根據(jù)理論模擬的結(jié)果編寫)配置到“邏輯測試模塊”中,地檢板會輸出一種擊中事例給觸發(fā)板和該測試模塊.該測試模塊會輸出正確的觸發(fā)信號,與觸發(fā)板輸出的符合觸發(fā)信號進(jìn)行邏輯同或,若輸出為1,則說明該判選邏輯對該擊中事例響應(yīng)正確,地檢板會自動發(fā)送下一事例.依次對232種可能的擊中情況進(jìn)行遍歷,將輸出結(jié)果記錄并伴隨狀態(tài)信息返回PC機(jī),從而確定該判選邏輯工作正常.地檢測試系統(tǒng)實(shí)物如圖9所示.

圖7 宇宙線(μ子)觸發(fā)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖Fig.7 The diagram of the trigger system for the cosmic ray(muon particle)

圖8 判選邏輯測試流程示意圖Fig.8 The diagram of the trigger logic test

圖9 觸發(fā)邏輯系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.9 The picture of the test system for the trigger logic

依照上述方法進(jìn)行測試判選邏輯組0的第2種邏輯,如表1所示,表中l(wèi)ayer2_dy8_p表示第2層第8打拿極的正方向擊中信號輸出,其余同此表示,其仿真結(jié)果如圖10所示.當(dāng)擊中信號輸出低電平時,認(rèn)為該層有擊中信號有效(邏輯為1),根據(jù)表1的觸發(fā)邏輯,當(dāng)且僅當(dāng)參與該組觸發(fā)判選邏輯的所有擊中信號都有效時,會有觸發(fā)信號產(chǎn)生,且略延遲于擊中信號.若所有觸發(fā)信號均與理論輸出的符合觸發(fā)測試信號匹配,則說明該組觸發(fā)判選邏輯工作正常.

表1 觸發(fā)判選邏輯組0第2種邏輯Table 1 The No.2 trigger logic of group 0

圖10 觸發(fā)判選邏輯仿真測試圖(從上至下依次為:時鐘信號;復(fù)位信號;第1、2、3、4、11、12、13、14層擊中信號,低有效;觸發(fā)板觸發(fā)信號,高有效;測試模塊測試信號,高有效)Fig.10 The simulated figure of the test system for the trigger logic(from top to bottom:the clock signal;the reset signal;the hit signals of layers 1,2,3,4,11,12,13,and 14,with low effectiveness;the trigger signal from the trigger board,with high effectiveness;and the test signal from the test module,with high effectiveness;respectively)

4.2 宇宙線觸發(fā)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

為了對比地檢系統(tǒng)中觸發(fā)判選邏輯的電子學(xué)驗(yàn)證結(jié)果,這里同樣選擇了第0組第2種觸發(fā)邏輯(BGO量能器的8層擊中信號相與)進(jìn)行測試.為測試觸發(fā)系統(tǒng)的觸發(fā)效率與BGO量能器閾值的關(guān)系,擊中信號閾值第1、2、3、4、12、13、14層的閾值均設(shè)定為0.1 MIPS,僅對第11層的閾值進(jìn)行調(diào)整.

由于所設(shè)閾值與實(shí)際閾值有所不同,因此需要對閾值進(jìn)行標(biāo)定.閾值標(biāo)定的流程為:根據(jù)BGO量能器獲取的科學(xué)數(shù)據(jù),依次得到不同閾值下的MIPS譜,如圖11所示;根據(jù)MIPS譜的截?cái)辔恢脤﹂撝颠M(jìn)行簡單的判斷;根據(jù)譜線結(jié)果,與測試總事例數(shù)進(jìn)行歸一化,得到不同閾值下的事例率;再根據(jù)圖11(a)中的結(jié)果(事例比較完整),根據(jù)事例率反推閾值結(jié)果,對設(shè)定閾值進(jìn)行標(biāo)定.最后依據(jù)標(biāo)定結(jié)果和測試裝置模型,通過軟件進(jìn)行模擬,得出模擬結(jié)果.表2和圖12為BGO量能器第11層擊中信號設(shè)置在不同閾值(由BGO量能器設(shè)計(jì)人員標(biāo)定得出)下,暗物質(zhì)粒子探測器的觸發(fā)效率模擬結(jié)果和實(shí)測結(jié)果.

圖11 不同閾值下的MIPS譜Fig.11 The MIPS spectra for the different BGO thresholds

根據(jù)圖12的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),觸發(fā)效率的理論值與模擬值在1 MIPS左右差異較大.這是由于閾值標(biāo)定過程中,受測試時長限制,樣本(事例)有限,閾值標(biāo)定結(jié)果與實(shí)際結(jié)果存在誤差.且μ子的宇宙線能譜在1 MIPS附近曲線比較陡,所以閾值小的差異會導(dǎo)致模擬的觸發(fā)效率有比較大的差異.但實(shí)際測試結(jié)果的曲線與模擬曲線基本吻合.可見觸發(fā)系統(tǒng)測量結(jié)果和模擬結(jié)果基本一致.這里只能對觸發(fā)效率進(jìn)行初步分析,定量的誤差需要依據(jù)BGO量能器中PMT和FEE中的各項(xiàng)性能參數(shù)和誤差系數(shù)進(jìn)行復(fù)雜分析;模擬結(jié)果中,探測器模型之間位置關(guān)系的測量誤差等也應(yīng)當(dāng)考慮在內(nèi).

表2 BGO量能器layer11的閾值與DAMPE觸發(fā)效率Table 2 The thresholds of the layer 11 of BGO detector and the trigger efficiencies of the DAMPE

圖12 BGO量能器layer11的閾值變化與觸發(fā)效率的關(guān)系Fig.12 The relations between the trigger efficiencies of the DAMPE and the thresholds of the layer 11 of BGO detector

5 總結(jié)

我們設(shè)計(jì)了地檢系統(tǒng),從電子學(xué)的角度對觸發(fā)判選邏輯電路進(jìn)行了功能測試.該測試系統(tǒng)功能完善,且易于在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn).宇宙線觸發(fā)系統(tǒng)從真實(shí)物理事件的角度對完整的觸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行了測試,測試結(jié)果表明觸發(fā)系統(tǒng)對于μ子的觸發(fā)效率和模擬結(jié)果很接近,可以滿足探測器的測試需求,但是對于高能伽瑪粒子和電子的觸發(fā)性能,還需要進(jìn)一步通過束流實(shí)驗(yàn)來完成.

[1]Zwicky F.AcHPh,1933,6:110

[2]Rubin V C,Ford W K.JAerP,1970,159:379

[3]Chang J,Adams J H,Ahn H S,et al.Nature,2008,456:362

[4]郭建華,蔡明生,胡一鳴,等.天文學(xué)報(bào),2012,53:72

[5]Guo J H,Cai M S,Hu Y M,et al.ChA&A,2012,36:318

[6]封常青.空間暗物質(zhì)探測衛(wèi)星量能器讀出電子學(xué)方法研究.合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),2011

[7]Guo J H,Zhang Y L,Feng C Q,et al.The Trigger System of DAMPE.The 33rd International Cosmic Ray Conference,Rio de Janeiro,July 2–9,2013

[8]汪曉蓮.粒子探測技術(shù).第1版.北京:科學(xué)出版社,2003

The Realization of the Test System for the Trigger Logic in the DAMPE

ZHANG Lei1,2,3GUO Jian-hua1,2ZHANG Yong-qiang1,2

(1 Purple Mountain Observatory,Chinese Academy of Sciences,Nanjing 210008)(2 Key Laboratory of Dark Matter and Space Astronomy,Chinese Academy of Sciences,Nanjing 210008)(3 University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049)

As a part of DAMPE(Dark Matter Particle Explorer),the trigger system is mainly used for triggering the target particles:high-energy electrons and gammaray.The trigger system is composed of the trigger detectors(the BGO(Bi2O3-GeO2)calorimeter in DAMPE),which generates the hit signals,and triggers the coincidence logic.This paper describes the design of the test system for the trigger logic of DAMPE,which uses the hit signal generator board to test the trigger logic.Furthermore,we also implement a coincidence system to trigger cosmic ray,which is used to test the trigger efficiency of DAMPE for muon particle.

instrumentation:detectors,dark matter,methods:laboratory

P111;

A

2014-04-22收到原稿,2014-05-26收到修改稿

?國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(1100305,11273070)資助

?zhanglei@pmo.ac.cn