光谱仪器公司的 ADC 卡用于人类最大的液体中微子探测器

直到最近，人们还认为中微子粒子没有质量，但现在的理论认为它们实际上有质量，但质量值非常小，而且有三种不同的 "味道"，它们可以来回切换。超微粒子通常被称为幽灵粒子，研究它们非常困难，因为它们通常不受阻碍地穿过大多数正常物质而不被发现，因此必须建造专门的探测器来寻找它们。最新的探测器名为 "JUNO"，位于中国江门地下 750 米处。17 个不同国家的 730 名科学家在 74 所大学和国家实验室工作，共同完成了这个耗资 4 亿欧元的项目。为了开发探测器的核心部分，使用了光谱仪器公司（Spectrum Instrumentation）的液体闪烁仪和超快数字化卡。

地下 750 米处的专用实验室中的 JUNO 主探测器。照片显示的是探测器的水池（还是空的）和中央脚手架。直径为 34.5 米的丙烯酸球体放置在水池中，里面装满了液体闪烁体。白色盖子只是在安装过程中保护敏感元件。

JUNO 位于现有的八个核反应堆之间，为研究提供了中微子源。它的核心是一个巨大的、高度透明的丙烯酸球体，内径 34.5 米，充满了 20,000 吨专门开发的油状物质。当中微子与这种液体闪烁体发生相互作用时，闪烁体就会产生光子，闪烁体被包裹在一个重达 3.5 万吨的大型水池中。光子由环绕球体的约 45,000 个光电倍增管（PMT）阵列检测。慕尼黑工业大学（TUM）和美因茨约翰内斯-古腾堡大学的研究小组正在使用光谱仪器公司（Spectrum Instrumentation）的 M4i.2212 数字转换卡进行实验室规模的高精度实验，以确定液体闪烁体的特性，这需要先进的数据采集技术。当JUNO探测器于2024年底投入使用时，它将成为人类建造的最大的液体中微子探测器。该探测器将极大地提高我们对这些难以捉摸的幽灵粒子的相互作用和特性的认识。

慢速液体闪烁混合物的典型光发射运动学。切伦科夫光（红线）在时间上形成一个尖锐的峰值，随后是较慢的闪烁光衰减（绿线）。

中微子探测

中央的丙烯酸球体包含液体闪烁体，周围有一层水。这两种物质都必须是超纯的，因为最微量的污染都可能含有放射性物质。在施工过程中，工人们必须戴上两副手套，因为即使是指纹上的汗水也会污染并破坏整个项目。探测器位于地下 750 米处一个专门挖掘的空间内，以屏蔽周围的辐射。

当中微子与液体闪烁体（LS）发生相互作用时，它会将相互作用的能量沉积到这种物质的分子中。液体闪烁体的巨大光输出（通常大于 10.000 光子/兆电子伏）确保了对沉积能量的精确测定。如果还能重建入射中微子的方向，那将是非常有益的。在这里，中微子最初穿过水时发出的微弱但具有方向性的切伦科夫光与之配对，为物理学家提供了这一信息。

慕尼黑和美因茨目前开发液体闪烁体的目的是将快速但微弱的切伦科夫光从主要闪烁光中分离出来，以便同时进行能量和方向重建。因此，汉斯-斯泰格博士领导的团队建造了几个精密的台式实验，增强了光收集能力和时间分辨率。

"我们之所以选择仕必纯的数字转换卡，是因为它们不仅能为我们提供最先进的性能，而且与竞争对手的产品不同，它们并不昂贵，也不是定制产品，"负责该项目的汉斯-斯泰格博士说。"仕必纯的模块化方法意味着我们可以准确地指定我们所需要的显卡功能，因此我们不会在不需要的功能上做任何妥协或浪费金钱。我喜欢它们是标准 PCIe 产品这一事实，这样我们就可以在获得更多资金后在标准计算机机箱上扩展系统。作为一所参与重大长期国际项目的大学，我们需要可靠的部件，仕必纯的五年质保让我们高枕无忧。

Spectrum Instrumentation 公司的 M4i.2212-x8 PCIe 数字转换器，4 个通道的采样速度为 1.25 GS/s。

JUNO 的成果也推动了天文学研究

除了事件重建工作之外，团队还为 JUNO 贡献了一个校准项目。该项目使用预先确定能量和入射方向的放射性伽马射线和中子源来描述探测器材料的特性。"我们之所以能够对液体闪烁体进行表征，是因为超快数字化卡使我们能够在以皮秒为单位的时间范围内工作。此外，5V 的动态范围比通常为 1V 的竞争对手要好得多，这意味着它们可以轻松管理我们遇到的 PMT 中的 3V 脉冲，"TUM 小组的博士生 Meishu Lu 指出。在美因茨工作的 Manuel Böhles 补充说："仕必纯一直非常支持我们，帮助我们为项目找出最佳解决方案，并直接与他们的工程师电话联系，帮助我们解决遇到的任何问题。他们致力于支持像我们这样的许多大学的基础研究，这一点非常好"。

图中显示了来自切伦科夫辐射的第一个脉冲，随后是闪烁信号，提供能量信息。这一切发生在不到两纳秒的时间内。结合这些信息，就可以确定粒子的类型和来源。它可能来自中国的某个反应堆、太阳、地球心脏或深空。"斯泰格博士解释说："我们以前从未能通过闪烁探测器准确地知道中微子来自哪里，因此这开辟了全新的研究领域。"例如，如果一颗垂死的恒星或所谓的超新星在天空中释放出大量中微子，我们现在不仅能看到中微子，还能高精度地重建发生爆炸的天空点。实际上，我们现在有了一台望远镜，可以观察这些不同的中微子源，从而更好地了解这些过程。通过探测整个光谱的光、引力波以及现在具有高统计量、能量分辨率和方向性的中微子，开启了多信使天文学的新时代。

新闻资料袋可在新闻网站 https://www.spectrum-instrumentation.com/news/202409_fast_digitizers_use... 上查阅。

关于仕必纯仪器公司

仕必纯仪器公司（Spectrum Instrumentation）成立于 1989 年，采用独特的模块化理念，设计并生产了 200 多种数字转换器和信号发生器产品，包括 PC 卡（PCIe 和 PXIe）和独立以太网单元（LXI）。30 多年来，仕必纯的客户遍布全球，其中包括许多 A 级行业领先企业和几乎所有著名大学。公司总部位于德国汉堡附近，以其 5 年质保和直接来自设计工程师的出色支持而闻名。有关仕必纯的更多信息，请访问 www.spectrum-instrumentation.com。