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Cliosoft最近舉辦了一次網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)，勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LBNL）的科學(xué)家Carl Grace談到了一個(gè)檢測(cè)中微子的尖端項(xiàng)目。該項(xiàng)目被稱為深地下中微子實(shí)驗(yàn)（DUNE）項(xiàng)目。我們很多人都知道什么是中子，但什么是中微子？

什么是中微子，為什么要研究它們？

中微子是質(zhì)量非常低的基本粒子，以接近光速的速度傳播，并且僅通過(guò)引力和弱核力相互作用。中微子可以幫助回答諸如宇宙中為什么存在物質(zhì)、孤立的質(zhì)子衰變、我們?nèi)绾我?jiàn)證黑洞的誕生等問(wèn)題。

如何檢測(cè)中微子？

中微子幾乎可以以光速傳播，在與任何物質(zhì)相互作用之前平均可以穿過(guò)60光年厚度的水。這使得很難檢測(cè)到它們。解決方案是DUNE探測(cè)器，這是有史以來(lái)最大的低溫粒子探測(cè)器，它可以從 800 英里外指向它的強(qiáng)中微子束中探測(cè)中微子。當(dāng)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的質(zhì)子加速器產(chǎn)生的中微子擊中目標(biāo)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生緊密的中微子束。這種致密的中微子束被發(fā)送超過(guò) 800 英里，穿過(guò)堅(jiān)固的地下巖石和地球材料，到達(dá)位于地下 1 英里處的探測(cè)器。這種設(shè)置可以防止宇宙射線對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生任何影響。探測(cè)器本身是一個(gè)裝滿液態(tài)氬氣的超大罐。液態(tài)氬氣非常密集，為中微子提供了許多可能擊中的目標(biāo)。由于氬氣具有化學(xué)惰性，不會(huì)引起任何化學(xué)反應(yīng)來(lái)干擾實(shí)驗(yàn)并污染收集的數(shù)據(jù)。

當(dāng)中微子相互作用時(shí)

當(dāng)中微子與氬原子相互作用時(shí)，原子被電離。釋放的電子產(chǎn)生電荷，該電荷穿過(guò)罐中的液態(tài)氬氣。這個(gè)容器被放置在一個(gè)巨大的電場(chǎng)之下，電場(chǎng)使這些電荷漂移到導(dǎo)線的平面上。當(dāng)電荷到達(dá)這些導(dǎo)線時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生非常小的電流，然后可以記錄下來(lái)。讀取并數(shù)字化這些導(dǎo)線中感應(yīng)的微小電流是實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵部分。檢測(cè)電子器件的一個(gè)關(guān)鍵功能是模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）。將探測(cè)器電子元件浸入液態(tài)氬氣中可大大降低布線電容，從而降低可實(shí)現(xiàn)的噪聲，并作為 DUNE 項(xiàng)目的一項(xiàng)支持技術(shù)。

低溫ADC 要求

• 每通道 2MS/s 采樣率和 16 通道，12 位分辨率
• Sub-LSB噪聲性能
• 30年低溫環(huán)境(-184 ^o C)可靠性

• 出于測(cè)試目的，可在室溫和低溫下運(yùn)行

現(xiàn)成的ADC 無(wú)法滿足上述要求。需要構(gòu)建定制ADC，并將其集成到實(shí)現(xiàn)檢測(cè)電子設(shè)備的ASIC中。

三個(gè)實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)之間的合作

來(lái)自 LBNL、費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室和布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)小團(tuán)隊(duì)合作設(shè)計(jì)了 DUNE項(xiàng)目的檢測(cè)電子設(shè)備。Cliosoft 數(shù)據(jù)管理解決方案通過(guò)地理上分散的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的不同部分所需設(shè)計(jì) IP，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化的設(shè)計(jì)感知手術(shù)數(shù)據(jù)同步。這允許對(duì)每個(gè)參與的國(guó)家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行細(xì)粒度的訪問(wèn)控制，并為每個(gè)參與站點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)優(yōu)化提供了一種方法。

總結(jié)

這個(gè)由三個(gè)實(shí)驗(yàn)室組成的團(tuán)隊(duì)已成功開(kāi)發(fā)出 ColdADC ASIC，用于檢測(cè)浸沒(méi)在液態(tài)氬中的中微子探測(cè)器。大約 40,000 個(gè) ColdADC ASIC 將部署在 DUNE Far Detector 復(fù)合體中，并將浸沒(méi)在液態(tài)氬中。每個(gè) ColdADC 將讀出 16 個(gè)通道，總共64萬(wàn)個(gè)有線通道。檢測(cè)器電子設(shè)備可以在 250^o C的范圍內(nèi)運(yùn)行，并且比短基線中微子檢測(cè)器(SBND) 實(shí)驗(yàn)中使用的商用 ADC 解決方案具有更好的噪聲性能。DUNE實(shí)驗(yàn)將持續(xù)30年。

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