暗物质直接探测实验中高速教据传输的研究

【摘要】：自从天文学家发现暗物质的存在以来,人类在不断对暗物质的实质进行一系列探索,粒子物理学家们提出最有可能成为暗物质候选的粒子模型一一WIMP,并通过各种暗物质直接探测实验探测并寻找WIMP粒子。一方面,随着截止截面的探测精度不断提高,越来越接近中微子本底,暗物质直接探测实验的探测器规模在不断扩展,随之带来的触发率的提高、探测通道的增加等问题,均导致实时传输的数据率提升。另一方面,随着波形数字化技术的发展,探测精度较以前有着大幅度的提升,带来了数据获取速率的进一步提高。如何解决大型暗物质直接探测实验中高速海量数据的实时传输需求一个合理的解决方案。在以往的暗物质探测实验中,由于探测规模较小、触发率较低等因素,通常采用VME总线与千兆以太网技术进行后端的数据获取与传输。但是,在面对需求极高的系统带宽进行数据的实时传输时,仍采取原有传输技术只能通过成倍地增加硬件以及传输链路的数量实现带宽的增长,系统结构过于复杂且不利于系统的升级。近些年,一些非暗物质探测的大型粒子探测实验已经遇到了数据率大幅提高带来的传输压力的问题,典型的实验有CBM实验和ATLAS实验,它们的解决方案均采用万兆光纤链路进行后端的数据传输。与此同时,在工业和通讯领域，PXI Express总线技术与万兆以太网技术也已经发展的非常成熟,数据传输速率和性能均得到了验证,甚至已经在研发40Gbps和100Gbps的网络传输,更快的数据传输速度将是必然的发展趋势。因此,本论文针对我国暗物质直接探测实验进展对电子学的需求,引入了PXI Express总线以及万兆以太网技术,对电子学搭建以及万兆传输联路的一些关键技术进行研究并开展工作。本论文的结构安排如下：第一章作为绪论主要介绍了暗物质探测的背景以及我国目前暗物质直接探测实验的现状与需求。首先,介绍了暗物质与暗能量的背景知识以及研究意义,列举了证实暗物质存在的几个典型证据,介绍了暗物质粒子的候选者以及当今暗物质探测实验主要探测的粒子模型——WIMPs;然后,介绍了暗物质直接探测实验的方法与技术,以及波形甄别与波形数字化技术的发展与现状：最后,由探测通道数的增加以及波形数字化指标的提升引出本论文研究方向,即暗物质探测对高速海量数据实时传输技术的需求。第二章针对暗物质直接探测实验电子学系统的数据读出以及其它需求高速海量数据时传输的实验进行了一系列的研究。首先,研究了国内外典型的暗物质直接探测实验中电子学读出方法；然后,以实现数据获取系统中的高速数据传输方法为目的,研究其它粒子物理实验中的高速传输应用：最后,通过研究其它领域中的高速数据传输方法,综合考虑当今高速数据传输的现状,从而制定适用于暗物质直接探测实验发展的电子学读出系统。第三章研究了暗物质探测实验中的数据采集系统的结构和特点,并针对大型气液两相氩暗物质探测器设计了一种电子学读出架构。这里重点研究了数据采集模块的参数确定方法,从而确定数据采集模块的设计方案与芯片选型；此外,还从理论角度对系统的各部分进行了设计思考,具体包括前放系统、时钟系统以及数据采集系统。第四章提出了适用于前面所提出的数据采集系统的后端数据传输电子学,详细阐述了一种基于PXIE总线和万兆以太网的万兆传输链路实现方法与架构。首先,对后端数据传输链路总体方案进行了说明；然后,介绍了传输链路中的关键技术：接下来,对链路中各硬件的确定与实现进行详细说明,并介绍了Linux系统下测试软件的设计;最后,对该传输链路进行总结。第五章针对传输链路中的一个关键环节——数据汇聚模块,进行了详细的阐述。该模块为自主设计模块,用于承接前端数据采集模块发送的数据与后端万兆链路,核心控制器为Xilinx的FPGA,重点介绍了FPGA的各部分控制以及插件各部分数据传输链路的实现。第六章研究了万兆传输链路的测试方法与具体的测试工作实现方法和结果。首先,明确了数据传输网络的测试方法以及高速串行链路的测试码流：然后根据实际资源情况对本课题中的传输链路进行测试方案设定；最后提供了一系列的系统测试结果,验证了系统的性能。第七章对本论文进行总结并展望了未来要进行的工作。