Spectrum儀器ADC卡被用于人類(lèi)歷史上最大的液態(tài)中微子探測器
中國北京,2024年9月4日訊 —— 此前人們認為中微子粒子是沒(méi)有質(zhì)量的。直到近些年,人們才意識到中微子粒子質(zhì)量很小,并能在三種不同“味道”之間相互切換。這些被稱(chēng)為“幽靈粒子”的中微子粒子通常能夠穿過(guò)大多數普通物質(zhì)而不被檢測到,因此人們常常需要借助專(zhuān)業(yè)的探測器對其進(jìn)行研究。最新的中微子實(shí)驗裝置JUNO位于中國江門(mén)地下750米處,是由來(lái)自全球17個(gè)國家74所大學(xué)和國家實(shí)驗室的730名科學(xué)家合作完成,耗資4億歐元。Spectrum儀器的高速數字化儀則被用于該實(shí)驗裝置的核心部分——液體閃爍體。
JUNO主探測器位于地下750米的專(zhuān)用實(shí)驗室內。圖片中是尚未灌水的水池和中間腳手架。
在球體內部放置了一個(gè)直徑為34.5米的丙烯酸球體,里面裝滿(mǎn)了液體閃爍體。在安裝時(shí),白色的蓋子能夠保護敏感組件。
JUNO被精確地放置于八個(gè)現有的核反應堆之間,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(wàn)噸經(jīng)過(guò)特殊處理的類(lèi)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(wàn)噸的水池包圍。環(huán)繞球體的4.5萬(wàn)余根光電倍增管(PMTs)能夠檢測到光子。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)驗室規模的實(shí)驗中使用了由Spectrum儀器提供的M4i.2212數字化儀卡描述液體閃爍體,這對數據采集的要求非常高。當JUNO探測器在2024年底正式投入使用時(shí),它將成為人類(lèi)建造的最大型的液態(tài)中微子探測器。該探測器將顯著(zhù)提升我們對這些幽靈粒子之間相互作用以及性質(zhì)的認知。
中微子探測器
丙烯酸球體的中間是一層被水包圍著(zhù)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。在設備建造的過(guò)程中,所有工人都必須佩戴兩幅手套,因為指紋上的汗液有可能污染并毀掉整個(gè)項目。探測器被置放于地下750米處的專(zhuān)用實(shí)驗室內,用以屏蔽四周的輻射。
當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傳遞。如果能夠重構入射中微子的方向將大有裨益。來(lái)自中微子初始通道的微弱但具有定向性的切倫科夫光通過(guò)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(lái),以便同時(shí)進(jìn)行能量和方向重構。于是,在Hans Steiger博士的率領(lǐng)下,研究團隊設計并建造了幾臺具有增強光收集能力和時(shí)間分辨率的精密臺式實(shí)驗裝置。
Spectrum儀器的M4i.2212-x8 PCIe數字化儀,采樣速度1.25 GS/s,能同時(shí)處理4個(gè)通道的數據
“我們之所以選擇Spectrum儀器提供的數字化卡是因為其卓越的性能。與市場(chǎng)同類(lèi)產(chǎn)品相比,Spectrum儀器的產(chǎn)品不僅性?xún)r(jià)比更高,而且能夠定制化?!痹擁椖康呢撠熑薍ans Steiger博士表示,“我們能夠通過(guò)Spectrum產(chǎn)品的模塊式設計精準選擇所需的一切功能,無(wú)需為額外或附加功能買(mǎi)單。此外,這些產(chǎn)品還是標準的PCIe卡,這就意味著(zhù)日后我們獲得更多預算時(shí),能夠在標準的計算機機箱中擴展我們的系統。作為參與大型長(cháng)期國際項目的大學(xué),我們需要選用可靠的零部件。Spectrum提供的五年質(zhì)保更令我們更加放心?!?/p>
JUNO實(shí)驗結果推動(dòng)天文學(xué)研究的發(fā)展
除了事件重構方面的工作外,該團隊還為JUNO添加了校準項目。該項目利用預先確定能量和入射方向的放射性伽馬和中子源來(lái)刻畫(huà)探測器材料。慕尼黑工業(yè)大學(xué)TUM小組的博士生Meishu Lu指出:“我們之所以能夠刻畫(huà)液體閃爍體是由于超高速轉化儀卡能夠在以皮秒為單位的時(shí)間范圍內進(jìn)行測量。此外,5V的動(dòng)態(tài)范圍遠優(yōu)于市面上僅為1V的其他產(chǎn)品,這也意味著(zhù)當我們的光電倍增管(PMTs)遇到3V脈沖時(shí)可以輕松應對?!泵酪虼拇髮W(xué)的研究人員Manuel B?hles表示,“在制定最佳項目方案時(shí),Spectrum儀器為我們提供了極大的助力。當我們遇到問(wèn)題時(shí),可以直接與Spectrum儀器的工程師進(jìn)行溝通并快速解決問(wèn)題。很高興能和這樣一家致力于支持高?;A研究的企業(yè)合作?!?/p>
用于慢速液體閃爍混合物的典型光發(fā)射動(dòng)力學(xué)
圖中紅線(xiàn)代表切倫科夫光,緊隨其后的綠線(xiàn)代表較慢的閃爍光衰減
圖中顯示了切倫科夫輻射的第一脈沖,緊隨其后的是給出能量信息的閃爍信號。整個(gè)過(guò)程不到2納秒即可完成。借助這些信息就能確定粒子的類(lèi)型及來(lái)源。這可能來(lái)自中國的反應堆、太陽(yáng)、地球中心或深空?!按饲?,我們從未通過(guò)閃爍探測器確切得知中微子來(lái)自何處。因此這為我們開(kāi)辟了全新的研究領(lǐng)域?!?Steiger博士表示,“舉例而言,如果一顆垂死的恒星或所謂的超新星在天空中發(fā)出大量中微子。我們現在不僅可以看到這些中微子,還能以高精度重構該爆炸發(fā)生的天空位置。我們很高興現在有這樣一臺望遠鏡,能夠讓我們更好地了解不同的中微子源并更全面地了解整個(gè)過(guò)程。通過(guò)對整個(gè)光譜上的光以及引力波的檢測,加之對具有高統計、高能量分辨率和方向性的中微子的加持,多信使天文學(xué)將邁入全新時(shí)代?!?/p>
關(guān)于Spectrum儀器
Spectrum儀器公司成立于1989年,采用獨特的模塊化理念設計和生產(chǎn)了200多種數字化儀和發(fā)生器產(chǎn)品,其中包括PC卡(PCIe和PXIe)以及獨立的以太網(wǎng)設備(LXI)。三十多年來(lái),Spectrum儀器的客戶(hù)遍布全球,產(chǎn)品也被眾多行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)和知名大學(xué)使用。Spectrum儀器總部位于德國漢堡附近,旗下產(chǎn)品均享受5年質(zhì)保以及來(lái)自工程師團隊的卓越服務(wù)。更多詳情,請訪(fǎng)問(wèn)公司官網(wǎng)www.spectrum-instrumentation.com 。