用于大型国际项目中微子识别的TS-Spectrum高速数字化仪

一、应用背景

此前人们认为中微子粒子是没有质量的。直到近些年，人们才意识到中微子粒子质量很小，并能在三种不同“味道”之间相互切换。这些被称为“幽灵粒子”的中微子粒子通常能够穿过大多数普通物质而不被检测到，因此人们常常需要借助专业的探测器对其进行研究。最新的中微子实验装置JUNO位于中国江门地下750米处，是由来自全球17个国家74所大学和国家实验室的730名科学家合作完成，耗资4亿欧元。TS-Spectrum高速数字化仪则被用于该实验装置的核心部分——液体闪烁体。

JUNO被精确地放置于八个现有的核反应堆之间，为研究提供了中微子源。它的核心是一个直径为34.5米的巨型且透明度极高的丙烯酸球体，里面装有2万吨经过特殊处理的类似油性物质。这种液体闪烁体与中微子相互作用时会产生光子，并被一个3.5万吨的水池包围。环绕球体的4.5万余根光电倍增管（PMTs）能够检测到光子。慕尼黑工业大学和美茵茨大学的研究小组在高精度、实验室规模的实验中使用了TS-Spectrum的M4i.2212数字化仪卡描述液体闪烁体，这对数据采集的要求非常高。当JUNO探测器在2024年底正式投入使用时，它将成为人类建造的最大型的液态中微子探测器。该探测器将显著提升我们对这些幽灵粒子之间相互作用以及性质的认知。

二、中微子探测器

丙烯酸球体的中央是一层被水包围着的液体闪烁体。即使最少量的杂质都可能含有放射性物质，因此这两者必须非常纯净。在设备建造的过程中，所有工人都必须佩戴两幅手套，因为指纹上的汗液有可能污染并毁掉整个项目。探测器被置放于地下750米处的专用实验室内，用以屏蔽四周的辐射。

当中微子与液体闪烁体（LS）相互作用时，能将相互作用的能量传递给该物质的分子。液体闪烁体的巨大光输出（通常 > 10.000 Photons / MeV）能够确保能量的精准传递。如果能够重构入射中微子的方向将大有裨益。来自中微子初始通道的微弱但具有定向性的切伦科夫光通过水与之匹配，将为物理学家的研究提供重要的信息。

慕尼黑工业大学和美茵茨大学目前研究液体闪烁体的目的是将漫射光中的快而微弱的切伦科夫光分离出来，以便同时进行能量和方向重构。于是，在Hans Steiger博士的率领下，研究团队设计并建造了几台具有增强光收集能力和时间分辨率的精密台式实验装置。

图2.德思特Spectrum的M4i.2212-x8 PCIe数字化仪，采样速度1.25 GS/s，能同时处理4个通道的数据

“我们之所以选择TS-Spectrum的数字化卡是因为其卓越的性能。与市场同类产品相比，TS-Spectrum的产品不仅性价比更高，而且能够定制化。”该项目的负责人Hans Steiger博士表示，“我们能够通过TS-Spectrum产品的模块式设计精准选择所需的一切功能，无需为额外或附加功能买单。此外，这些产品还是标准的PCIe卡，这就意味着日后我们获得更多预算时，能够在标准的计算机机箱中扩展我们的系统。作为参与大型长期国际项目的大学，我们需要选用可靠的零部件。”

三、JUNO实验结果推动天文学研究的发展

除了事件重构方面的工作外，该团队还为JUNO添加了校准项目。该项目利用预先确定能量和入射方向的放射性伽马和中子源来刻画探测器材料。慕尼黑工业大学TUM小组的博士生Meishu Lu指出：“我们之所以能够刻画液体闪烁体是由于超高速转化仪卡能够在以皮秒为单位的时间范围内进行测量。此外，5V的动态范围远优于市面上仅为1V的其他产品，这也意味着当我们的光电倍增管（PMTs）遇到3V脉冲时可以轻松应对。”美因茨大学的研究人员Manuel Böhles表示，“在制定最佳项目方案时，TS-Spectrum为我们提供了极大的助力。当我们遇到问题时，可以直接与TS-Spectrum的工程师进行沟通并快速解决问题。很高兴能和这样一家致力于支持高校基础研究的企业合作。”

图3.用于慢速液体闪烁混合物的典型光发射动力学。图中红线代表切伦科夫光，紧随其后的绿线代表较慢的闪烁光衰减

图中显示了切伦科夫辐射的第一脉冲，紧随其后的是给出能量信息的闪烁信号。整个过程不到2纳秒即可完成。借助这些信息就能确定粒子的类型及来源。这可能来自中国的反应堆、太阳、地球中心或深空。“此前，我们从未通过闪烁探测器确切得知中微子来自何处。因此这为我们开辟了全新的研究领域。” Steiger博士表示，“举例而言，如果一颗垂死的恒星或所谓的超新星在天空中发出大量中微子。我们现在不仅可以看到这些中微子，还能以高精度重构该爆炸发生的天空位置。我们很高兴现在有这样一台望远镜，能够让我们更好地了解不同的中微子源并更全面地了解整个过程。通过对整个光谱上的光以及引力波的检测，加之对具有高统计、高能量分辨率和方向性的中微子的加持，多信使天文学将迈入全新时代。”

审核编辑 黄宇