[论文解读] Design, scale-up and characterization of the data acquisition system for the ANAIS dark matter experiment

M. A. Oliván|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2016

Atomic and Subatomic Physics Research参考文献 3被引用 5

一句话总结

本文介绍了用于 ANAIS 暗物质实验的高性能数据采集（DAQ）系统的系统设计、放大与表征，采用光电倍增管（PMTs）和定制 VME 基电子设备，实现了低能阈值、低本底和高稳定性。该系统支持精确符合触发与实时监控，在三套探测器上成功测试，并展示了未来部署 37 套探测器的可扩展性。

ABSTRACT

The ANAIS project has been a long time effort devoted to carry out an experiment to detect dark matter annual modulation with very low background NaI(Tl) detectors. It is expected to be fully commissioned along 2016. This experiment could confirm the DAMA/LIBRA positive signal with the same target and technique. This work was devoted to the design, implementation and characterization of a data acquisition system suitable for the ANAIS experiment, having in mind the ANAIS requirements: very low energy threshold, a background as low as possible in the region of interest, a high enough exposure and a rigorous parameter control in order to monitor systematics. This work describes the Photomultiplier Tubes used by the ANAIS modules and the algorithms and protocol developed in order to pass quality tests to all units. It presents the design and implementation of the electronic front-end for the ANAIS modules and muon tagging system along with the data acquisition software. The analysis software was adapted from the software of the previous prototypes to allow easy scale-up for the full experiment. Finally, the test of the optical performance of the Alpha Spectra modules and the tests of data acquisition and monitoring of environmental parameters are presented.

研究动机与目标

• 为 ANAIS 暗物质实验开发一种可扩展、稳定且低本底的数据采集系统，目标是通过年度调制效应探测 WIMP。
• 通过优化光电倍增管响应和电子前端设计，实现低能量阈值和高信噪比。
• 通过实时监控环境参数和硬件性能，确保长期运行稳定性。
• 通过 100 ns 的符合窗口实现精确符合触发，这对探测低能 WIMP 信号至关重要。
• 通过在三套探测器上的表征验证系统性能，并为 37 套探测器的全面部署做好准备。

提出的方法

• 采用 Hamamatsu R12669SEL2 PMT，配合定制电压分压器和高压电源，以优化单电子响应和量子效率。
• 基于 VME 的数字与模拟前端设计，采用 NIM 模块、时间计数器和 MATACQ 模块，实现高动态范围和高采样率的信号采集。
• 实现具有 100 ns 窗口的符合触发系统，通过波形分析和实时时钟同步进行验证。
• 开发模块化 DAQ 软件堆栈，支持标准化文件命名、运行日志记录和自动化数据处理，实现实时分析。
• 集成慢控系统，用于监控温度、氡浓度、压力、氮气流量和 PMT 电源稳定性。
• 通过去卷积和峰谷比分析，对前置放大器、基线稳定性、触发效率和噪声抑制进行广泛表征。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计一种可扩展且稳定的 DAQ 系统，以满足 ANAIS 实验中低能 WIMP 探测的严格要求？
• RQ2 PMT 电压分压器和高压电源的最佳配置是什么，以最大化信号保真度并最小化暗计数？
• RQ3 环境变化（尤其是温度）如何影响符合窗口的定时性能？有效的缓解策略是什么？
• RQ4 在真实实验条件下，高吞吐量多通道 DAQ 系统可实现的死时间和在线时间精度水平如何？
• RQ5 该 DAQ 系统能否可靠支持从 3 套探测器原型向 37 套探测器配置的过渡，同时保持一致的性能和低本底？

主要发现

• 该 DAQ 系统在三套 ANAIS 探测器上成功展示了可扩展性和可靠性，验证了其面向未来 37 套探测器部署的设计可行性。
• 确认 100 ns 符合窗口对低能信号探测至关重要，温度引起的定时漂移最高达 6 ns，可能影响年度调制灵敏度。
• 对环境参数（温度、氡浓度、压力、氮气流量）的实时监控显示系统性能稳定，支持长期数据质量控制。
• 通过自动校准和反馈机制提升了基线稳定性，减少了基线漂移，提高了能量分辨率。
• 系统实现了高触发效率和低死时间，实测在线时间与理论预期高度一致。
• PMT 表征协议（包括增益曲线、暗计数和相对量子效率）已实现自动化，证明在一致探测器筛选中有效。