核探測技術與核電子學國家重點實驗室(中國科學院高能物理研究所、中國科學技術大學)

核探測技術與核電子學國家重點實驗室依託中國科學院高能物理研究所、中國科學技術大學。國科辦基〔2011〕20號,實驗室主管部門組織制定實驗室建設計畫。

簡介

核探測技術與核電子學是粒子物理、核物理、粒子天體物理等學科實驗研究的基礎,在國民經濟、國家安全及核醫學、核能源等方面起著重要的作用。

為推動這一重要基礎學科的發展,2005年4月,高能所實驗物理中心與中國科學技術大學近代物理系共同創辦了“核探測技術與核電子學聯合實驗室”。

2008年12月,“核探測技術與核電子學聯合實驗室”被正式批准為中國科學院重點實驗室。多年來,實驗室做出了卓有成效的工作,既保證了國家大科學工程的需求,又面對國家需求與社會套用,拓展了研究範圍,逐步形成了具有國家級水平的優秀研究團體,成為該領域有重要影響力的科研基地。

(高能所供稿)

核探測技術與核電子學國家重點實驗室將瞄準國家需求和學科發展方向,在核探測技術方面重點研究新實驗方法和技術,開展氣體探測器、閃爍探測器和半導體探測器的研究;在核電子學方面重點部署前端電子學關鍵技術研究,發展大容量高精度、高速度數據獲取與處理系統技術,技術套用研究等。

(來源:中國科大)

設備

重點實驗室用於探測器及電子學研製的設備總投資超過5000萬元,購置和裝備了一系列國內、國際先進的通用儀器設備和專用實驗裝置。同時還搭建了若干個技術平台,其中包括恆溫恆濕超淨室平台、探測器特性測量和研究平台、射線成像方法研究平台、正電子技術研究平台、電子學系統的輔助計算機設計和仿真設計平台等。其中,主要的大、中型儀器設備包括:

1) 500M-4GHz高檔數字示波器、高性能脈衝信號產生器多台;

2) 大空間潔淨間和禁止間:用於建造BESIII小單元漂移室探測器和研製新型氣體探測器;

3) 各種BESIII探測器和電子學性能測試裝置;

4) EDA集成軟體系統和FPGA邏輯開發環境;

5) 高性能計算機集群等。

6) 恆溫恆濕超淨室:潔淨度10萬級,相對濕度小於40%,四台潔淨工作檯(潔淨度100級),可用以氣體探測器、半導體探測器等新型探測器的研究。價值50萬元。

7) MRPC探測器特性宇宙線測量裝置兩套:可以進行MRPC的亞納秒時間特性、噪聲、漏電流和能譜測量。價值120萬元,屬國內領先。

8) GEM探測器性能測量裝置一套:可以進行GEM的時間、位置和能量特性測量。價值50萬元。

9) 閃爍晶體和光電倍增管性能測量裝置一套:價值75萬。

10) GAMMA相機和銻鋅鎘半導體CT成像裝置各一套:價值50萬。

11) 正電子壽命譜儀一套:價值100萬。

12) 慢正電子束以及測量系統一套:價值50萬。

13) 脈衝正電子束以及測量系統一套:價值110萬。

14) 超快、超高壓脈衝信號發生器系列(6台):模擬粒子物理實驗產生的極端脈衝信號,分別產生100ps~2ns前沿的超快脈衝,高達100V,前沿為ns量級的快脈衝。價值55萬。

15) 1GHz以上頻寬的數字示波器系列(4台):用於觀測探測器快脈衝信號,以及電子學系統調試。價值60萬。

16) 通用ADC系統性能測試裝置:包括高性能高頻正弦波信號發生器,系列帶通濾波器、測試平台和分析軟體,這是基於IEEE最新標準建立的通用測試裝置。價值30萬。

重點實驗室設計和建造的主要實驗裝置包括:

1)第三代北京譜儀(BESIII)

總造價約2.3億元,整個探測器約3萬道,具有當前國內、國際先進的探測器設計和建造技術。其中漂移室採用氦基、鋁絲及小單元,是國內第一個大規模的小單元漂移室,動量分辨達0.6%@1GeV,位置分辨130um;採用吊掛無縫方式的CsI(Tl)晶體量能器,能量分辨為2.5%@1GeV ;飛行時間計數器時間分辨為100ps,是國際上時間分辨最高的探測器之一;Muon探測器採用自己研製的阻性板,由9層RPC構成;採用超導技術的磁鐵磁場強度達1T,是目前國內最大的單體超導磁鐵。

北京譜儀的讀出電子學系統,包括漂移室電子學、電磁量能器電子學、飛行時間計數器電子學和Muon探測器電子學。系統基於VME匯流排設計,採用先進的流水線工作方式和CBLT數據傳輸技術,進行高精度的時間和電荷測量,系統集成度高,噪聲水平低。

北京譜儀的觸發判選系統,由MDC尋跡、TOF擊中、EMC能量甄別、徑跡配對、總觸發及控制等子系統構成。系統設計採用了流水線式多路串列數據傳輸、光纖傳輸等先進技術。

北京譜儀的數據獲取系統,完成4000Hz下高事例率的數據讀出和處理。系統採用了國際上先進的設計思想,套用分散式並行處理技術,基於網路交換的事例組裝和基於普通PC的計算機集群用於軟體觸發,各處理節點並行工作,可以支持每秒百兆位元組的數據獲取和處理能力。

北京譜儀的慢控制系統,監測、處理、記錄和分析分布於譜儀各個部位的氣體、高壓等數據信息,實現安全聯鎖。該系統是一個涉及30餘種物理量、近萬個監測點的龐大系統。

2)大亞灣反應堆中微子實驗裝置

總價值約1.5億元。實驗裝置由多個大型液體閃爍體探測器、水切倫科夫探測器和RPC μ子探測器組成,分別置於一個遠點和兩個近點探測器做相對測量,以減少誤差,實現對sin22θ13的精確測量。自製的液體閃爍體罐裝到中心探測器內,通過光電倍增管探測中微子信號。讀出電子學系統基於VME匯流排設計,包括採用PMT電子學系統和RPC電子學系統。數據獲取系統也採用分散式並行處理技術。

3)電子譜儀和正電子湮沒譜儀

電子譜儀和正電子譜儀是利用電子和正電子為探針的核物理、原子物理基礎研究與在交叉科學套用研究的一系列自主研發的譜學裝置,包括:慢正電子束譜儀、脈衝慢正電子譜儀、14MeV中子倍加器、數位化雙都卜勒展寬譜儀、數位化正電子壽命譜儀、數位化AMOC譜儀、高分辨快電子能量損失符合譜儀、全形度電子動量譜儀、高分辨(e, 2e)譜儀、掃描探針電子能譜儀等。總造價約2200萬元。組成了目前國際上在電子和正電子譜學領域設備最齊全的實驗研究中心之一。這些譜儀同時為國內科研單位開放,已為20多所高校和研究所提供了實驗測量和科學研究服務。

4)新型氣體探測器研發平台

為了研發高分辨的新型氣體探測器,建設改造了恆溫恆濕探測器研發實驗室。實驗室面積約200平方米,潔淨度為10萬級,有4台潔淨度為100級的潔淨操作台。室內溫度可以保持為22±2℃,相對濕度可以達到40%以下。建立了專用的氣體探測器性能測試研究平台,該研究平台包括氣體精密質量配氣系統,宇宙線帶電粒子徑跡和時間測量系統,高聚焦,小束斑X光機等設備儀器。具有高時間分辨、位置分辨、大面積以及與之相關的電子學讀出和數據獲取系統.可以在實驗室環境下,對各種氣體探測器的性能進行測試和研究。

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