暗物质粒子探测器触发逻辑测试系统的设计和实现∗

张 磊† 郭建华 张永强

(1中国科学院紫金山天文台南京210008)(2中国科学院暗物质与空间天文重点实验室南京210008)(3中国科学院大学北京100049)

暗物质粒子探测器触发逻辑测试系统的设计和实现∗

张 磊1,2,3,†郭建华1,2张永强1,2

(1中国科学院紫金山天文台南京210008)(2中国科学院暗物质与空间天文重点实验室南京210008)(3中国科学院大学北京100049)

作为暗物质粒子探测器(DAMPE,Dark Matter Particle Explorer)的一部分,触发系统主要用于判选所需探测的目标粒子(高能电子和伽玛射线)事例,剔除非目标粒子事例.触发系统由触发探测器和触发判选逻辑电路组成.介绍了触发地检测试系统和宇宙线触发系统的设计和功能实现.触发地检系统实现了对触发判选逻辑电路的电子学验证;另外,配合宇宙线触发系统对部分触发逻辑和触发效率进行了测试.主要介绍了触发系统的测试方法和一些初步测试结果.

仪器:探测器,暗物质,方法:实验室

1 引言

早在1933年,Zwicky[1]指出,大的星系团中的星系速度太大,以至于无法通过引力束缚住他们,除非他们的质量超过星系团总质量估算值的100倍以上,需要引入暗物质的概念来解释这部分多出来的引力.但是这一发现没有引起人们的足够重视.直到上世纪70年代,美国科学家Rubin等人通过对漩涡星系的观测结果,使得暗物质这个概念被科学界广泛认识[2].

由于实验和观测手段的提高,尤其是空间天文学的大发展,暗物质和暗能量的存在已被普遍认知.目前的观测表明,我们看得见摸得着的普通物质只占宇宙构成的4%,而宇宙的主要成分是暗物质(约占22%)和暗能量(约占74%).

目前探测暗物质粒子的手段有直接测量和间接测量两种.间接测量的方法,主要是通过观测暗物质衰变或者湮灭产生的稳定的次级粒子,如伽玛粒子和电子等.目前国际上已有多个间接测量的探测实验,如ATIC(Advanced Thin Ionization Calorimeter),PAMELA(Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics)等,对它们的观测都发现宇宙高能电子能谱在300～800 Gev之间有个异常超出[3].由于以上探测器的设计初衷均不是探测电子,因此还需要更多的以间接探测暗物质为目标的高精度探测器.由中国科学院紫金山天文台提出的中国空间暗物质探测卫星计划,希望通过在空间观测高能电子(正电子)和伽玛射线能谱,来进一步找到暗物质粒子的存在证据.

作为粒子物理实验技术在空间科学上的延伸,暗物质粒子探测卫星与地面粒子物理实验系统的结构组成类似,包括各种高能粒子探测器、读出电子学系统、触发判选系统、数据传输和处理系统等.其中触发判选系统主要由触发探测器和触发判选逻辑电路构成,作用是通过探测器的硬件逻辑对目标事例进行初步甄选,大大提高探测器的探测效率.

2 暗物质粒子探测器的触发系统及地面测试需求

2.1 触发系统组成和触发原理

暗物质粒子探测器的触发系统如图1所示,它由暗物质粒子探测器中部分BGO(锗酸铋)量能器[4-5]组成的触发探测器和触发判选逻辑电路构成.

图1 暗物质粒子探测器触发系统结构组成Fig.1 The trigger system of DAMPE

BGO量能器是由14层BGO晶体的立体阵列和其对应的FEE(Front End Electronics)板组成.暗物质探测器在轨工作期间,当高能粒子入射到BGO量能器的立体阵列中并发生簇射,与各层晶体发生作用产生光子,由晶体两端的PMT(光电培增管)转换成电信号.此信号将送入FEE中的专用读出芯片VATA160进行滤波成型、比较甄别,若信号幅度超过阈值会产生一个击中信号送入到触发板[6].

如果高能粒子作用于各层BGO而产生的击中信号满足触发判选逻辑,则触发板会产生触发信号,由载荷数据管理器转发给各个子探测器,“告知”它们将此目标信号记录下来.

根据触发探测器的结构,参与触发逻辑判选的共32路击中信号.这32路信号由14层BGO阵列中的1、2、3、4、11、12、13、14层产生,每层分别从正方向和负方向分别取打拿极5和打拿极8的击中信号.根据BGO量能器的设计,这32路信号的阈值会有所不同,当某路信号幅度超过所设阈值,就会由该路FEE产生1 000 ns宽度的击中信号脉冲提供给触发判选逻辑电路.

触发板接收到BGO量能器发送的击中信号后,在触发窗口(800 ns左右)内对击中信号进行触发逻辑的匹配[7].在触发窗口匹配过程中,32路击中信号将按照触发判选逻辑来进行逻辑操作.不同粒子作用于BGO量能器会产生不同的击中信号,需要不同的判选逻辑进行甄别.为了在运行过程中能够灵活设置逻辑,触发板的触发判选逻辑中将所需要的逻辑分为3组(每组8种,共24种):组0主要为MIPS(最小电离粒子)判选逻辑,用于选择质子或者氦核的MIPS信号;组1主要用于选择高能电子和质子;组2为备用逻辑,主要为了避免击中信号出现异常影响触发判选,在组2的逻辑中不同的击中信号均增加了冗余措施.

另外,在地面测试阶段,为了测试需要,触发板还会接收和输出部分测试信号:有效触发测试信号(它是考虑“死时间”等影响后最终输出给各个探测器FEE,用于采集科学数据的触发信号)、符合触发测试信号(只要输入到触发板的击中信号满足所设定的触发条件,即输出符合触发信号)、16位串行的触发ID号测试信号和外触发输入测试信号.本文中所进行的测试,主要利用这部分测试信号和触发信号完成.

2.2 触发判选测试需求

暗物质粒子探测器中,触发系统的触发判选逻辑电路(以下简称触发板)由紫金山天文台空间天文实验室设计.触发板中的判选逻辑,是整个触发系统的关键,已经由相关的科研人员按照目标粒子的物理模型模拟得出.触发板中判选逻辑的设计和使用需经过以下过程:首先需要严格按照上述模拟结果进行设计,然后根据实验结果进行验证和调整,最后再投入使用.因此,触发板设计完成后,必须对触发板中所实现的触发判选逻辑进行验证.

本文介绍触发逻辑测试系统的设计和实现,从两个方面对触发判选逻辑进行测试:一是利用整套地检系统对触发判选逻辑进行电子学验证,检验逻辑内容是否与设计需求(理论模拟得出)相符;二是利用部分地检系统,配合宇宙线触发系统对部分触发判选逻辑进行实验验证,这部分内容同时也对触发系统的触发效率进行了测试,得到了初步结果.

3 触发测试系统的设计

根据测试需求,测试系统主要包含两部分:地检系统和宇宙线触发系统.

3.1 地检系统设计

鉴于以上触发判选逻辑电路的工作原理,设计如图2所示的地检系统,它主要由CPU接口板、击中与触发地检板(以下简称地检板)和上位机PC构成.CPU接口板用于对触发板进行控制;地检板用于模拟触发探测器,产生32路击中信号.测试中,由CPU接口板将触发板配置到需要的工作模式,对地检板产生的击中信号进行逻辑判选,输出触发信号.地检板同时接收触发板产生的专用测试信号(外触发测试信号、有效触发测试信号、符合触发测试信号、触发ID号测试信号),以及由CPU接口板转发的触发信号.触发地检板通过对比在某组触发判选逻辑下,由触发板产生的实际触发信号和地检板存储的击中信息(包含该击中事例下是否会有触发信号),从而判断该组触发判选逻辑是否工作正常.图2中UART为通用异步收发传输器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter).

图2 触发逻辑测试系统结构框图Fig.2 The diagram of the test system for the trigger logic

3.1.1 CPU接口板的设计

CPU接口板如图3所示,它由CPU控制芯片(单片机)、总线驱动芯片和电源芯片等构成.CPU接口板由PC通过串口进行控制,板上的主控芯片单片机会产生与触发板相对应的控制信号,通过8位地址总线和8位数据总线对触发板的内部寄存器进行读取.同时由CPU接口板提供触发板所需要的3种电源.

图3 CPU控制板的结构框图Fig.3 The diagram of the CPU control board

3.1.2 击中与触发地检板的设计

地检板是触发判选逻辑测试系统中的关键部分,用于模拟触发探测器产生击中信号.地检板的硬件结构组成如图4,它由主控芯片FPGA(Field Programmable Gate Array)、总线驱动芯片、击中信号驱动芯片、串行通讯接口和供电系统等构成.工作时,PC机通过串行通讯接口对地检板的主控芯片FPGA进行配置,由FPGA的通用I/O口产生与触发探测器相同的32路击中信号,该击中信号需要经过RS422信号驱动芯片进行信号转换,再送入触发板中.另外,上文提到的测试信号也会接入到地检板的FPGA中进行处理.

图4 击中信号生成板(地检板)硬件结构框图Fig.4 The hardware diagram of the hit signal generator board

地检板的主要功能是由FPGA完成,其特性是可以根据硬件描述语言模拟硬件逻辑电路,地检板的逻辑部分所指的就是FPGA的内部逻辑结构和功能模块,如图5所示.

当高能粒子进入BGO量能器后,BGO量能器与之作用,将产生一组共32路击中信号.为模仿此过程,地检板产生32路信号以组为单位发送,一组信号记为一个击中事例,击中事例间的时间间隔可调.一个击中事例的描述信息包括击中信号的脉冲宽度、信号延时、事例间隔、触发板将能否产生触发等参数,将这些参数用约定的数字量描述,构成一个数据帧.地检板工作前先进行配置,将击中事例的数据帧通过PC机预先通过UART串口接收,经过“指令与数据解析模块”解析后,存储在地检板FPGA芯片的DPRAM(Dual Port Random Access Memory)中.测试中,PC机通过自定义指令控制地检板的“输出控制模块”,击中信号的输出模式信息与DPRAM中的事例信息会送到“击中事例数据管理”模块中进行处理;最终通过击中信号发送接口输出.

击中事例数据管理模块的工作流程如图6所示,对于单一事例,根据指令解析得来的击中数据信息,会通过多个计数器对时钟脉冲进行计数,产生设定宽度和延迟的一组事例;对于多组事例,在完成一组事例后,也将由计数器产生事例间隔时间,然后再发送下一组事例,发送完成后,事例计数器会检查是否所有设定事例发送完毕.另外地检板每收到一条来自PC机的指令,将返回给PC机一条指令执行状态信息,验证地检板的工作是否正常.

图5 击中信号生成板(地检板)软件功能框图Fig.5 The software diagram of the hit signal generator board

图6 击中事例数据管理模块的工作流程Fig.6 The flow diagram of the data management module of the hit signal

击中信号发送后,触发板测试信号接口会产生有效触发测试信号,符合触发测试信号和触发ID号测试信号.地检板首先会对这些测试信号进行检测,判断有效后由“有效触发状态参数”模块和“击中事例执行状态”参数模块(图5)进行分析,对比配置数据帧的信息,并记录有效触发信号和符合触发信号的个数.在外触发模式下,外触发输入信号的状态信息也会被记录下来.所有的状态信息根据工作模式的不同,由状态信息发送仲裁模块进行选择性发送,PC会对状态信息进行保存.

3.2 宇宙线触发系统设计

为了进一步从实际物理事件的角度测试触发系统(触发探测器和触发判选逻辑电路),还设计了宇宙线触发系统.利用该系统与地检系统中的地检板,可以对部分触发判选逻辑进行测试.由于海平面上的宇宙线多数为µ子,且触发判选逻辑中第0组逻辑可以对µ子事例进行触发验证,因此这里主要利用µ子来进行测试.µ子主要是π介子衰变产生,大多数µ子产生在大气上层.由于µ子不参与强相互作用,只与物质发生电磁相互作用和弱相互作用,具有较强的穿透力.海平面上每平方厘米每分钟大约有1个µ子,平均能量在几个GeV数量级.根据Bethe和Bloch等人给出的入射粒子的平均能量损失率公式[8],µ子在这个能量范围内的能量损失率曲线比较平坦,接近于最小电离粒子MIPS.

使用两块大面积塑料闪烁体探测器(简称塑闪探测器)将触发探测器上下覆盖,当µ子穿过塑料闪烁体探测器时会沉积部分能量,这部分能量通过PMT转换为电信号,经过比较甄别形成逻辑信号.将上下两块塑料闪烁体探测器产生的逻辑信号进行逻辑符合作为外触发.例如,当两块塑料闪烁体同时都有信号输出时,即认为µ子穿过了触发探测器.宇宙线触发系统的结构如图7所示(A和C为600 mm×600 mm×30 mm的塑料闪烁体探测器,B为825 mm×825 mm×30 mm的塑料闪烁体探测器.其中B是为了覆盖整个探测器,包括塑闪阵列探测器、BGO量能器、中子探测器.本文中的测试没有使用该单元,图中标出该单元的目的是可以使科研人员依据位置关系建立准确的探测器模型,减少误差).

测试时,整个暗物质粒子探测器处于外触发工作模式,利用外触发信号启动科学数据采集.另外,触发板在接收外触发信号的同时,会利用BGO量能器产生的击中信号和触发判选逻辑(设定MIPS标定逻辑)产生“符合触发测试信号”.每次外触发时,地检板都会记录外触发对应的触发号、外触发期间是否有符合触发等,并通过串口将记录信息返回.该测试分为两部分:一是通过对比符合触发结果和触发板所设的逻辑,可以从真实物理事件的角度验证触发逻辑的正确性,二是通过对比外触发(认为是有µ子进入探测器)和符合触发(表明击中信号符合设定的触发判选逻辑),可以得到该触发判选逻辑和阈值下的触发效率.将测试得到的触发效率和模拟结果对比,就可以判断出触发逻辑是否能够正确工作.

4 测试系统功能实现

4.1 地检系统功能实现

通过地检系统对触发判选逻辑的电子学验证的主要目的是仅验证触发板的实际判选工作是否与设计需求(理论模拟得出)相符,无法对模拟结果的正确性进行验证.根据触发系统的结构,击中信号共有32路,全部可能的击中信号组合共有232种.仅通过人工测试的方式进行逻辑遍历验证是不现实的,这里利用地检板中的“逻辑测试模块”(如图5所示)与上位机程序配合自动完成验证工作.测试工作流程如图8所示.测试中,指令与数据解析模块将被测逻辑(由触发板测试人员根据理论模拟的结果编写)配置到“逻辑测试模块”中,地检板会输出一种击中事例给触发板和该测试模块.该测试模块会输出正确的触发信号,与触发板输出的符合触发信号进行逻辑同或,若输出为1,则说明该判选逻辑对该击中事例响应正确,地检板会自动发送下一事例.依次对232种可能的击中情况进行遍历,将输出结果记录并伴随状态信息返回PC机,从而确定该判选逻辑工作正常.地检测试系统实物如图9所示.

图7 宇宙线(µ子)触发系统的结构框图Fig.7 The diagram of the trigger system for the cosmic ray(muon particle)

图8 判选逻辑测试流程示意图Fig.8 The diagram of the trigger logic test

图9 触发逻辑系统实物图Fig.9 The picture of the test system for the trigger logic

依照上述方法进行测试判选逻辑组0的第2种逻辑,如表1所示,表中layer2_dy8_p表示第2层第8打拿极的正方向击中信号输出,其余同此表示,其仿真结果如图10所示.当击中信号输出低电平时,认为该层有击中信号有效(逻辑为1),根据表1的触发逻辑,当且仅当参与该组触发判选逻辑的所有击中信号都有效时,会有触发信号产生,且略延迟于击中信号.若所有触发信号均与理论输出的符合触发测试信号匹配,则说明该组触发判选逻辑工作正常.

表1 触发判选逻辑组0第2种逻辑Table 1 The No.2 trigger logic of group 0

图10 触发判选逻辑仿真测试图(从上至下依次为:时钟信号;复位信号;第1、2、3、4、11、12、13、14层击中信号,低有效;触发板触发信号,高有效;测试模块测试信号,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 宇宙线触发系统功能实现

为了对比地检系统中触发判选逻辑的电子学验证结果,这里同样选择了第0组第2种触发逻辑(BGO量能器的8层击中信号相与)进行测试.为测试触发系统的触发效率与BGO量能器阈值的关系,击中信号阈值第1、2、3、4、12、13、14层的阈值均设定为0.1 MIPS,仅对第11层的阈值进行调整.

由于所设阈值与实际阈值有所不同,因此需要对阈值进行标定.阈值标定的流程为:根据BGO量能器获取的科学数据,依次得到不同阈值下的MIPS谱,如图11所示;根据MIPS谱的截断位置对阈值进行简单的判断;根据谱线结果,与测试总事例数进行归一化,得到不同阈值下的事例率;再根据图11(a)中的结果(事例比较完整),根据事例率反推阈值结果,对设定阈值进行标定.最后依据标定结果和测试装置模型,通过软件进行模拟,得出模拟结果.表2和图12为BGO量能器第11层击中信号设置在不同阈值(由BGO量能器设计人员标定得出)下,暗物质粒子探测器的触发效率模拟结果和实测结果.

图11 不同阈值下的MIPS谱Fig.11 The MIPS spectra for the different BGO thresholds

根据图12的结果可以发现,触发效率的理论值与模拟值在1 MIPS左右差异较大.这是由于阈值标定过程中,受测试时长限制,样本(事例)有限,阈值标定结果与实际结果存在误差.且µ子的宇宙线能谱在1 MIPS附近曲线比较陡,所以阈值小的差异会导致模拟的触发效率有比较大的差异.但实际测试结果的曲线与模拟曲线基本吻合.可见触发系统测量结果和模拟结果基本一致.这里只能对触发效率进行初步分析,定量的误差需要依据BGO量能器中PMT和FEE中的各项性能参数和误差系数进行复杂分析;模拟结果中,探测器模型之间位置关系的测量误差等也应当考虑在内.

表2 BGO量能器layer11的阈值与DAMPE触发效率Table 2 The thresholds of the layer 11 of BGO detector and the trigger efficiencies of the DAMPE

图12 BGO量能器layer11的阈值变化与触发效率的关系Fig.12 The relations between the trigger efficiencies of the DAMPE and the thresholds of the layer 11 of BGO detector

5 总结

我们设计了地检系统,从电子学的角度对触发判选逻辑电路进行了功能测试.该测试系统功能完善,且易于在实验室实现.宇宙线触发系统从真实物理事件的角度对完整的触发系统进行了测试,测试结果表明触发系统对于µ子的触发效率和模拟结果很接近,可以满足探测器的测试需求,但是对于高能伽玛粒子和电子的触发性能,还需要进一步通过束流实验来完成.

[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]郭建华,蔡明生,胡一鸣,等.天文学报,2012,53:72

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

[6]封常青.空间暗物质探测卫星量能器读出电子学方法研究.合肥:中国科学技术大学,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]汪晓莲.粒子探测技术.第1版.北京:科学出版社,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

∗国家自然科学基金项目(1100305,11273070)资助

†zhanglei@pmo.ac.cn