（物理电子学专业论文）大亚湾中微子实验中rpc电子学前端读出板和读出插件的研制.pdf

摘要 摘要 大亚湾( d a y ab a y ) 反应堆中微子振荡实验是中美科学家合作的大型物理 实验项目，旨在寻找并精确测量中微子的立体角01 3 0 实验本底主要来自于宇 宙射线。大亚湾实验系统采用水契伦克夫探测器和r p c 探测器实现宇宙线本底 排除。本文主要介绍的是由前端电子学板( f r o n t e n d c a r d ，f e c ) ，v m e 读出 插件( r e a d o u tm o d u l e ，r o m ) 和上位机组成的r p c 探测器电子学系统读出部 分的设计、实现以及测试结果的分析和总结。其中第一部分重点从系统精度要 求出发，介绍基于f p g a 的前端读出板f e c 的设计和测试工作，包括该电子学 板的硬件结构以及f p g a 内部逻辑的实现。第二部分重点介绍v m e 平台上数 据读出插件( r o m ) 的设计和部分已经完成的测试工作，包括该插件的功能性 指标，v m e 接口逻辑以及自检功能的实现。 r p c 探测器的每个模块由4 层每层排布8 个感应条的r p c 构成。每个r p c 模块产生的模拟信号通过3 2 个感应条由前端电子学板( f e c ) 读出。f e c 将 3 2 道信号进行甄别转换成数字信号并在数据中加上时间标记，然后按照本地触 发逻辑给出相应的触发信号。触发信号经过触发插件( r p ct r i g g e rm o d u l e ， l 玎m ) 处理后被送回f e c 以决定是否保留并传输该事例的数据。被传输的数据 经过读出插件( i 的m ) 通过v m e 总线传输给数据获取系统( d a q ) 作进一步 处理。触发信号和数据的长距离传输由读出传输插件( r e a d o u tt r a n s c e i v e r ， r o t ) 通过光纤完成。 在大亚湾实验中，由于r p c 探测器模块的感应条尺寸较大，所以当m u o n 粒子击中感应条后所产生的脉冲信号幅度较小。根据大亚湾实验的总体精度指 标要求估算，要求前端电子学板具有甄别3 0 m v 以上探测器信号的能力。也就 是说，前端电子学板f e c 必须具有3 0 m v 的甄别阈设置能力，且总体噪声指标 不超过甄别阈设置值。在4 0 m h z 的系统时钟频率中，不间断，无遗漏地读出 3 2 通道的信号并判断是否符合触发要求。经过触发上报与回传处理后，高速无 丢失地将符合触发要求的数据以串行格式回传给系统读出传输插件( r o t ) 。 大亚湾实验r p c 电子学系统中，每个读出传输插件r o t 负责收集最多1 5 块互相独立的f e c 送来的本地触发和串行数据等信息，并按照顺序处理这些信 息，之后经由光纤传输给v m e 读出插件r o m 。根据大亚湾实验不同实验大厅 的安排，每个v m e 读出插件需要处理最多6 个读出传输插件暨9 0 块f e c 并发 上传的串行数据流。通过对这些数据的缓冲、重新整理并添加绝对时间标记， 最后通过v m e 接口传输至v m e 总线上供上级系统记录。为同时缓冲处理这样 规模的数据并保证整个过程中不丢失任何数据，v m e 读出插件r o m 必须具备 摘要 充足的数据缓冲区、严谨的时序逻辑。此外，读出插件还负责对f e c 上的f p g a 进行配置、为f e c 和r o t 提供系统时钟等任务。 鉴于以上技术指标要求，本文通过对硬件和f p g a 逻辑两方面的介绍，阐 述了在电子学设计中所采取的设计方案和一系列措施。通过一系列的实验事实 模拟并测试了f e c 和v m e 在一些夕b j j n 人为干扰情况下的工作能力，从而验证 设计的可靠性和稳定性。 由于大亚湾实验与笔者参与过的北京正负电子对撞机谱仪升级改造工程 b e s i i i ( 以下简称b e s i i 实验) 中所使用的r p c 探测器模块原理和信号输出有 着一定的相似性，并希望借鉴b e s i i i 中一些成功的设计经验，所以在前端板和 v m e 数据读出插件的一部分设计方面，都是对b e s i i i 相关设计的改进和优化 而来的( 在相关章节有详细介绍说明) ，纵观两个实验项目的电子学设计特点， 可以得到以下几点差异： 1 大亚湾实验对于精度的要求更加高，要求电子学系统有高的信号甄别精 度和低的噪声水平； 2 大亚湾实验中，r p c 探测器是以模块进行组织的，每个模块有4 层探 测器，而b e s i i i 实验中的探测器是以板为单位组织的。大亚湾实验的r p c 探 测器模块化组织方式也决定了本地触发读出方式的采用，因为通过本地触发方 式可以有效地降低系统的噪声； 3 大亚湾实验的电子学系统结构设计与b e s i i 存在根本性的差异，为了减 少系统的地线回路，采用的是星形的连接方式，并采用了光纤数据传输。 4 大亚湾实验采用了时间标记的数据对齐方式。 根据以上的差异和不同，在充分参考b e s i i i 实验设计的经验的基础上，本 论文对大亚湾实验的系统设计、前端板设计和v m e 数据读出插件设计将围绕 着大亚湾实验对于精度和噪声水平的要求进行了介绍。 本论文设计有如下几个特点： 1 系统采用了星形的连接方式，并在前端和远端仪器之间采用了光纤传输 隔离地线，从而避免了地线回路上产生的干扰和噪声；并通过细致的地线设计， 使前端板f e c 具有较好的抗干扰性能以及较低的电子学噪声： 2 系统中首次采用了本地触发l o c a l t r i g g e r 与系统触发相结合的读出方式， 实现了穿过相邻探测器模块之间的粒子的事例读出； 3 通过选用1 2 b i t 的d a c 芯片和高精度电阻网络设计，使得前端板f e c 具有高的甄别阈设置灵敏度和一致性；并基于这样的甄别阈设置机制，通过逻 辑的功能设计实现了不需要模拟开关的自检功能和对比较器的检查功能； 4 利用添加在每次击中事例中的绝对时间标记，用来对齐不同探测器系统 摘要 之间的数据； 5 采用了比较新的f p g a 芯片实现了大量数据的缓冲功能，保证在非正常 情况下仍能保持数据读出。 其中，r p c 探测器读出电子学系统的星形系统连接方式和本地触发读出设 计和实现在国内尚未见报道。 目前，本系统用于大亚湾实验厅的前端电子学板f e c 已经完成了工程化生 产和检测工作，读出插件也已经完成了首个原型板的部分调试和功能指标测试 工作。按照实验工程进度要求，第一批前端板将于今年交付现场安装。而v m e 读出插件也将在对原型板的升级后与其他系统进行联合调试。 关键字：大亚湾反应堆中微子振荡实验，r p c 探测器读出系统，f p g a ，d a c a b s t i a c t a b s t r a c t t h es i n o a m e r i c a nd a y ab a yr e a c t o rn e u t r i n oe x p e r i m e n ta i m sa tf i n d i n g n e u t r i n o sw i t ht h es o l i da n g l e o l3 。n l em a i o rp a r to ft h eb a c k g r o u n dc o m e sf r o m c o s m i cr a y a n di no r d e rt os e p a x a t et h e s eb a c k g r o u n dn o i s ef r o mt r u ee v e n t s ，w a t e r c e r e n k o va n dr p c ( r e s i s t a n c ep l a tc h a m b e r ) d e t e c t o r sa r ea d o p t e d i nt h i sa r t i c l e ， t h er e a d o u ts y s t e mo fr p cd e t e c t o r sc o n s i s t e db yf r o n t e n dc a r d s ( f e c ) v m e r e a d o u tm o d u l e s ( r o m ) a n dh o s tc o m p u t e r si sd e s c r i b e di nd e s i g nt e c h n i q u e s ， f u n c t i o n sa n dt e s tr e s u l t s t h ef i r s tp a r ti n t r o d u c e dt h ef e ca n di t sf p g af i r m w a r e d e v e l o p m e n t s ，i n c l u d i n gt h eb a s e l i n e so fs y s t e mr e q u i r e m e n t ，p c bd e s i g na n dl o g i c f u n c t i o n st o g e t h e rw i t ht e s t sa n dr e s u l t s t h ef o l l o w i n gp a r tm a i n l yf o c u s e so nt h e v m er e a d o u tm o d u l ed e s i g n si nd e t a i l s u c ha sr e q u i r e m e n t ，l o g i cf u n c t i o nd e s i g n a n ds e l fi n s p e c t i n gf u n c t i o n s e a c hm o d u l eo fi 姆cd e t e c t o ri sc o n s i s t e do f41 a y e r so fr e a d o u ts t r i p s 。a n de a c h l a y e rc o n t a i n s8i 冲cs t r i p s t h a ti s 3 2c h a n n e l si nt o t a lf o ro n er p cm o d u l ew i l lb e r e a d o u tb yo n ef r o n t e n dc a r d t h ea n a l o gs i g n a lf r o mt h o s es t r i p sw i l lb ec o n v e r t e d t od i g i t a lf o r m a ti nf e ca n dl a b e l e dw i t hr e l a t i v et i m ei n f o r m a t i o ni ft r i g g e r i n g s t a n d a r di sm e t l o c a lt r i g g e r sa r es e n df r o mf e ct or p ch g g e rm o d u l e ( r t m ) i n v m ec r a t ea n dm a i nt r i g g e ri sf e e db a c ko n c et h ec a l c u l a t i o nr e s u l to ft r i g g e rm a t r i x i nr t mi sp o s i t i v e t h e na f t e rf e cr e c e i v e sm a i nt r i g g e r , h i ti n f o r m a t i o nw i l lb es e n d i ns e r i a lc o d es t r i n g st ot h er o mv i ar e a d o u tt r a n s c e i v e r ( r o t ) ，w h i c hc o l l e c t s s e r i a ld a t as t r i n g sf r o mu pt ol5f e c sa n de n c o d e st h e mi n t oo p t i c a ls i g n a l sa n d t r a n s f e r sd a t at or o m t h ei 心cr e a d o u ts t r i p si nt h ed a y ab a ye x p e r i m e n ti sr e l a t i v e l yw i d e ra n dl o n g e r , r e s u l t i n gi nt h ea t t e n u a t i o no fs i g n a la m p l i t u d e a c c o f d i n gt ot h eb a s e l i n e so fs y s t e m r e q u i r e m e n to fd a y ab a ye x p e r i m e n t ，p u l s e so v e r3 0 m vs h o u l db er e c o g n i z e da sh i t s t h u s f e cs h o u l db ea b l et ow o r kw e l lw i t h3 0 m vt h r e s h o l da g a i n s tp o s s i b l en o i s e a n di n t e r f e r e n c e s a l s o ，r u n n i n ga t4 0 mh zs y s t e mc l o c kp a c e ，t h ef e cm u s th a v en o e v e n td a t al o s to fa l l m o n i t o r i n g3 2 c h a n n e l sw h i l eg e n e r a t i n gl o c a lt r i g g e r i n f o r m a t i o nf o rr t m o n c et h em a i nt r i g g e ri sf e e d b a c k t h ef e cs h o u l db ea b l et o m a t c ht h ec o r r e s p o n d i n gd a t a 、忻也t i m es t a m pa n ds e n di ti ns e r i a lf o r m a t t h er e a d o u tm o d u l e ( r o m ) i nt h ev m ec r a t ec o l l e c t so p t i c a ld a t as t r i n g sf r o m u pt o6r o t s ，t h a ti s ，9 0f e c si no n ee x p e r i m e n t a lh a l l f o r c i n gt h er o m t ob ea b l e t od e c o d ea n db u 蕊ra l lt h e s ea m o u n t so fs e r i a ld a t as t r i n g ss i m u l t a n e o u s l yb e f o r e e n c o d i n gt h e ma g a i ni n t ov m eb u sf o r m a t sa n dp a s st h e mo nt ot h es y s t e mv m e b u s w i t ha b s o l u t et i m es t a m pr e c e i v e df r o mt h eg p sn e t w o r k i no r d e rt oa v o i da n y p o s s i b l el o s to fi n f o r m a t i o n t h er o m s h o u l dh a v es u f f i c i e n td a t ab u 髓r sa n dp r e c i s e t i m i n gc o n t r o l s a i s o t h er o mi sr e s p o n s i b l ef o rt h ec o n f i g u r a t i o no ff p g a s o n f e c sa sw e l la sp r o v i d i n gs y s t e mc l o c kt or o t sa n df e c s v a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h e s er e q u i r e m e n t s l i s t e da b o v e ，d e t a i l e di n t r o d u c t i o no fb o t h h a r d w a r ea n df i r m w a r ed e s i g na g a i n s tn o i s ea n dd a t al o s tw o u l db eg i v e ni nt h i s a r t i c l e ，f o l l o w e db yc o r r e s p o n d i n gt e s t so fs t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ff e ca n dr o m u n d e r g i v e nc i r c u m s t a n c e s a st h e r ei sc o n s i d e r a b l es i m i l a r i t yi nt h es i g n a lo u t p u to fr p c si nd a y a b a y e x p e r i m e n ta n dt h er p c si nb e s i i i ( b e o i n gs p e c t r o m e t e r ) ，w h i c hi sa l s oar e s e a r c h p r o j e c tt h ea u t h o u rh a sb e e ne n v o l v e d w eh o p et ob u i l dt h ed a y a b a yr p c r e a d o u t s y s t e mo nt h eb a s i so fs u c c e s s f u ld e s i g ne x p e r i e n c e si nb e s i l lw h i l ei m p r o v i n ga n d r e f i n i n gt h ed e s i g nm e t h o dt om a t c ht h er e q u i r e m e n to fd a y a b a ye x p e r i m e n t t h e m a j o rd i f f e r e n c e si nr p c r e a d o u td e s i g n so f t h e s et or e s e a r c hp r o j e c t sa r e - 1 t h ed a y a b a ye x p e r i m e n th a sm o r es t r i c tr e q u i r e m e n t si nh i g h e ra c c u r a c ya n d l o w e rs y s t e mn o i s el e v e l ； 2 t h ed a y a b a yr p c sa r er e a d o u tb ym o d u l e sw h i l et h eb e s i i ii 冲c sa r er e a d o u tb y l a y e r s t h ed a y a b a yr p cm o d u l ee a c hh a sf o u rl a y e r s ，r e q u i r i n gt h ee l e c t r o n i c s r e a d o u ts y s t e mb ec a p a b l eo fl o c a l t r i g g e rf u n c t i o n st or e d u c en o i s ei nd a t a 3 t h es t r u c t u r eo fd a y a b a vr p cr e a d o u ts y s t e mi sas t a rc o n n e c t i o nt or e d u c et h e c h a n c eo fi n t e r f e r e n c eo fg r o u n dp l a n e sw h i l et h eb e s i i is y s t e mi sr e a d o u tb yc h a i n s a l s o ，t h ed a y a b a ye x p e d m e n ta d o p t e do p t i c a l f i b e r sf o rl o n gd i s t a n c ed a t a t r a n s f e r r i n g 4 t h ed a y a d a yr p cr e a d o u ts y s t e mu s e sa b s o l u t et i m es t a m p s f o rd a t a s y n c h r o n i z a t i o n a c c o r d i n gt ot h e s ed i f f e r e n c e s ，t h ea r t i c l ei n t r o d u c e st h ed e i s g no fd a y a b a y r p c r e a d o u ts y s t e m si nd e t a i l s s o m ef e a t u r e si nt h i sd e s i g no ft h ea r t i c l e ： 1 t i l er p cr e a d o u ts y s t e mu s e sas t a r - c o n n e c t i o nm e t h o dt or e d u s eg r o u n dn o i s e ； a l s o ，t h ed a t at r a n s i m i s s i o nf r o mf r o n t e n dt ov m ew a sv i ao p t i c a lf i b e r , e n h a n c i n gt h e a n t i n o i s e a b i l i t y ；t h e c a r e f u lp r o t e c t i o no fh i g h s p e e ds i g n a l s a n dr i g o r o u s s e g m e n t a t i o no fg r o u n d ，a s s u r i n gt h ea n t i n o i s ea n da n t i c r o s s t a l ka b i l i t i e so ff e c ； 2 t h eu s a g eo fl o c a l t r i g g e rc o m b i n e dw i t hs y s t e mt r i g g e ri nr e a d o u ts y s t e me n a b l e s t h er e a d o u to fm u o n se n t e r i n ga d j a c e n tr p cm o d u l e s 3 a d o p t i n gl2b i td a cc h i p sa n dar e s i s t o rn e t w o r ki nt h r e s h o l ds e t t i n gc i r c u i tt o k e e pah i g hd e f i n a t i o n o fr e a d o u t ；e n a b l i n gt h es e l f - i n s p e c t i n ga n dc o m p a r a t o r c h e c k i n gf u n c t i o nw i t h o u ta n a l o gs w i t c h e sv i af i r m w a r et e c h n i q u e s ； 4 a d d i n ga b s o l u t et i m ei n f o r m a t i o nt ot h ed a t af l o wt oa l i g ne v e n td a t af r o m d e f f e r e n td e t e c t o rs u b s y s t e m s ； 5 t h ea d o p t i o no fu p t o d a t em o d e lo ff p g aw i t hl a r g em e m o r yr e s o u r c e se n a b l e s d a t ab u f f e r i n ga n ds t a b i l i t yu n d e ru n u s u a ls i t u a t i o n s ； a m o n gt h ea b o v ef e a t u r e s ，s t a rc o n n e c t i o na n dl o c a l t r i g g e rm e t h o dh a sn o tb e e n f o u n di np r e v i o u sr p cr e a d o u ts y s t e m si nc h i n a a b s t r a c t u pt on o w , t h ed e s i g no ff e ch a sp a s s e dt h ep r o d u c t i o nr e v i e wa n dt h ef i r s t b a t c ho ff e c sa 1 er e a d yf o ri n s t a l l a t i o na n dc u r r e n t l yu n d e ro b s e r v m i o n si ni h e p w i t hr p cd e t e c t o r s t h er o mh a sp a s s e df i n a lr e v i e w sa n dr e a d yt ob eu p g r a d e df o r p r o d u c t i o na n dj o i n td e b u g g i n g k e yw o r d s ：d a y ab a yr e a c t o rn e u t r i n oe x p e r i m e n t ，r p cd e t e c t o rr e a d o u ts y s t e m ， f p g a ，d a c v 目录 图片目录 图1 大亚湾实验的总体方案图5 图2 实验大厅示意图6 图3 r p c 读出电子学系统示意图1 4 图4 r p c 探测器读出电子学系统电路程式1 6 图5 大亚湾f e c 总体设计结构图。1 9 图6 大亚湾r o t 总体设计结构图2 1 图7 大亚湾r o m 总体设计结构2 3 图8 大亚湾r t m 总体设计结构图2 5 图9 原型机小系统方案示意图2 7 图1 0 大亚湾r p c 探测器读出电子学原型机原型机小系统2 7 图l1 大亚湾实验反符合探测器系统和r p c 探测器安装位置示意3 1 图1 2 ，r p c 探测器和f e c 的安装结构示意图3 2 图1 3 r p c 探测器感应条排布和坐标系构成示意图3 3 图1 4 大亚湾实验r p c 探测器的典型输出信号3 4 图1 5 f e c 的功能结构框图3 5 图1 6 大亚湾f e c 总体设计结构图3 7 图17 f e c 的信号甄别示意图3 8 图l8 比较器工作波形4 1 图19 c m p 4 01g s 结构4 2 图2 0 信号甄别原理4 3 图2 1 过压保护电路4 3 图2 2 m a14 7 的时间特性4 3 图2 3 f p g a 的j t a g 配置方式。4 7 图2 4 多片f p g a 的p s 配置方式4 7 图2 5 p s 方式配置时序4 8 图2 6 各种传输方式的传输距离和数据传输率的关系4 9 图2 7 l v d s 信号传输一4 9 图2 8 l v d s 信号输入输出关系5 0 图2 9 f e c 的p c b 叠层结构5 1 图3 0 模拟地和数字地的连接5 l 图3 1 易受干扰信号的铺设5 2 图3 2 l v d s 信号的布线。5 3 图3 3 f e c 的f p g a 逻辑总体框图5 4 图3 4 脉冲展宽电路5 5 图3 5 本地触发判选逻辑s 6 图3 6 流水线延迟的实现5 7 图3 7 单通道t r i g g e r 晃动取数窗口电路原理s 8 图3 8 触发选通时序5 9 图3 9 缓冲器状态图6 0 图4 0 事例缓冲器6 1 图4 1 时间标记产生模块6 2 图4 2 大亚湾r p c 探测器的典型输出信号6 s x 目录 图4 3 阈值控制电路原理6 7 图4 4 d a c 的积分非线性与设置码对应关系6 9 图4 5 甄别阂设置电路的模拟部分保护7 0 图4 6 d a c 芯片m a x 5 3 l 的写入时序7 1 图4 7 f p g a 内部的p l l 锁相环模块7 1 图4 8 d a c 甄别阈设置模块7 1 图4 9 实际干扰波形7 6 图5 0 地线回路7 7 图51 型滤波7 8 图5 2 共模轭流圈7 8 图5 3 测试小系统组成，8 2 图5 4 原型机读出插件设计方案框图8 3 图5 5 u s b r o m 的f p g a 内部逻辑框图一8 4 图5 6 小系统地线连接示意图8 6 图5 7 甄别阈值与d a c 设置值映射关系8 9 图5 8 9 5 0 0 v 高压下对r p c 大信号的保护9 2 图5 9 经过数据筛选的小系统8 块f e c 上3 2 通道输入的平均计数。9 4 图6 0 甄别阂值与探测器效率对比曲线9 4 图6 1 以一路r o t 连接为例的读出电子学系统仪器示意图9 6 图6 2 v m e 插件与系统其它组的数据连接通道9 7 图6 3 v m e 数据读出插件硬件方案9 9 图6 4 v m e 读出插件设计与系统整体关系示意图1 0 1 图6 6 v m e 数据读出插件印制电路板叠层图。1 0 3 图6 5 v m e 读出插件的p c b 布局示意图1 0 2 图6 7 v m e 读出插件r o m 的3 3 和1 2 v 电源层分割1 0 3 图6 8 v m e 读出插件面板指示灯对应状态示意图1 0 4 图6 9 接口f p g a 模块划分1 0 5 图7 0 v m e 总线读写操作典型时序1 0 7 图7 1 v m e 插件接口f p g a 芯片中断请求流程图1 0 9 图7 2 c b l t 时序一1 1 0 图7 4 n x 2 5 p 4 0 单页编程时序1 1 1 图7 5 n x 2 5 p 4 0 读取时序1 1 2 图7 6 p s 方式配置时序。1 1 2 图7 7 v m e 数据读出插件上数据缓冲f p g a 的数据处理逻辑流程图一1 1 4 图7 8 。数据缓冲f p g a 的内部逻辑框图和原理示意1 1 5 附录 b e s c l k c m d d a c d i s c d y b f e c f p g a 王d s p c b p p s p s r o t r o m r t m i 冲c s d a m s c l k t t l u s b r o m v m e c b i t c r c s r 缩写词简表 b e i j i n gs p e c t r o m e t e r s y s t e mc l o c k c o m m a n ds i g n a li np a s s i v es e r i a lc o n f i g u r a t i o n d i g i t a l - t o - a n a l o gc o n v e r t e r d i s c r i m i n a t o r d a y a b a y f r o m e n dc a r d f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y l o w v o l t a g ed i f f e r e n t i a ls i g n a l i n g p r i m e dc i r c u i tb o a r d p u l s ep e rs e c o n d p a s s i v es e r i a lc o n f i g u r a t i o nm e t h o do ff p g a r e a d o u tt r a n s c e i v e r r e a d o u tm o d u l e r p c t r o g g e rm o d u l e r e s i s t i v ep l a t ec h a m b e r s e r i a ld a t a s e r i a lc l o c kf o rs e r i a ld a t a t r a n s i s t o r - t r a n s i s t o rl o g i c u n i v e r s a ls e r i a lb u sr e a d o u tm o d u l e s am o d u l ee u r oc a r d c h a i nb l o c kt r a n s f e r c o n f i g u r a t i o nr o m c o n t r o la n ds t a t u sr e g i s t e r s 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的 成果。除己特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或 撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均己在论文中作 了明确的说明。 作者签名：础 签字日期：_ 2 剑丝乳厶蛆 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学 拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构 送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入中 国学位论文全文数据库等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 酝开口保密( 年) 作者签名：二鸳赵址 导师签名： 签字日期： 2 ql 盘目 日 签字日期：型! ! ：墨：2 ： 第一章：引言 1 1 关于中微子 1 1 1 中微子是什么 第一章引言 也许很多人还记得在轰动全球并引起对世界末日热烈讨论的灾难片2 0 1 2 中，科学家们所发现的毁灭地球的原因：受到太阳活动的影响，不可估量的中微 子穿过地核时一反常态的起到了对地核加温的功效。神秘的中微子，在科幻作品 中成为了罪魁祸首。中微子真的具有这样的威力吗? 事实上，中微子是1 9 3 0 年泡利假设存在的粒子，其目的是为了解释核的1 3 衰变中电子的能量为一个连续谱。在1 9 4 1 年，王淦昌先生建议使用原子核的k 电子俘获测量原子核的反冲能量，用来证实中微子的存在性。从此以后的十年间， 许多国内外实验组采用王淦昌先生的建议进行了实验论证，终于在1 9 5 2 年证明 中微子的客观存在性【l j 。 作为自然界的最基本的粒子之一，常用符号v 表示中微子。中微子以接近光 速运动。特征为不带电，自旋为1 2 ，而且质量非常轻( 小于电子的百万分之一) 。 粒子物理的研究结果表明，构成物质世界的最基本的粒子有1 2 种，其中包 括3 种中微子。由于中微子只参与非常弱的弱相互作用，所以它具有最强的穿透 力。1 0 0 亿个中微子穿越与地球直径等厚的物质，只有一个会与物质发生反应， 因此中微子的检测非常困难。也正因为如此，人们对中微子了解在所有的基本粒 子中是最晚，也最少的。 其实，大多数粒子物理和核物理过程都会有中微子产生，例如核电站用于发 电的核反应堆( 核裂变) 、太阳本身的核聚变、天然贝塔衰变放射性、超新星爆 发、宇宙射线等等。宇宙中其实充斥着大量的宇宙大爆炸的残留的中微子，大约 为每立方厘米1 0 0 个，与光子数基本持平。这些中微子在最微观的粒子物理规律 和最宏观的宇宙的起源及演化中都起着至关重要的作用。虽然中微子质量在粒子 物理的标准模型中为零，但由于其在宇宙中数量巨大，其质量是否绝对为零，对 粒子物理，天体物理与宇宙学均具有革命性的影响。事实上在过去几十年的大量 的直接测量实验中，都未能未获得中微子质量不为零的证据【2 j 。 第一章：引言 1 1 2 中微子振荡实验 作为基本常识，人类知道核聚变是太阳能量的本源，而科学家们在理论上总 结了一个标准太阳模型。由于核聚变会伴随中微子的产生，因此测量太阳光照到 地球上的能量，通过标准太阳模型可以预言单位时间内穿过地球上某一面积和立 体角的中微子数量。在上世纪6 0 年代，实验物理学家r d a v i s 建造了一个大型