对于工程师来说信号发生器是常用的通用仪器之一，是电子工程师信号仿真实验的最佳工具，在许多领域都有广泛的应用，安泰小编整理了一些关于函数信号发生器的使用方法以及注意事项，希望可以给您的实际操作带来帮助。
1.使用方法
使用前请先检査电源电压是否为220V，正确后方可将电源线插头插入本仪器后面板电源插座内。
1) 开机：插入220V交流电源线后，按下面板上的电源开关，频率显示窗口显示“1642”，整机开始工作。
2)函数信号输出设置。
①频率设置：按动频率档位换档键（RANGE)，选定输出函数信号的频段，调节频率微调旋钮（FREQ)至所需频率。调节时可通过观察频率显示窗口得知输出频率。
②波形设置：按动波形选择按键(WAVE),可依次选择正弦波、矩形波或三角波，此时示波器屏幕上将分别显示正弦波、方波、三角波。
③幅度设置：调节输出幅度调节旋钮(AMPL),通过观察幅度显示窗口，调节到所需的信号幅度，若所需信号幅度较小，可按动衰减选择按键(ATT)来衰减信号幅度。
④对称性设置：调节对称性（占空比）调节旋钮（DUTY)可使输出的函数信号对称度发生改变。通过调节可改善正弦波的失真度，使三角波调频变为锯齿波，改变矩形波的占空比等对称特性。
⑤直流偏置设置：通过调节直流抵补（直流偏置）调节旋钮（DCOFFSET),可使输出信号中加入直流分量，通过调节可改变输出信号的电平范围。
⑥TTL信号输出：由TTL输出插座（TTL)输出的信号是与函数信号输出频率一致的同步标准TTL电平信号。
⑦功率信号输出：由功率输出插座（POWOUT)输出的信号是与函数信号输出完全一致的信号，当频率在0.6Hz~200kHz范围内时可提供5W的输出功率，如频率在第7档时，功率输出信号自动关断。
⑧保护说明：当函数信号输出或功率信号输出接上负载后，出现无输出信号，说明负载上存在有高压信号或负载短路，机器自动保护，当排除故障后仪器自动恢复正常工作。
3)频率测量。
①内测量：按动计数器功能选择按键（FUN)，选择到内测频状态，此时“INT”指示灯亮起，表示计数器进人内测频状态，此时频率显示窗口中显示的为本仪器函数信号输出的频率。
②外测量：外测量频率时，分1Hz~10MHz和10~1000MHz两个量程，按动计数器功能选择按键，选择到外测频状态，“EXT”指示灯亮起表示外测频，测量范围为lHz~10MHz；“EXT”与“1GHz”指示灯同时亮起表示外测高频率，测量范围10~1000MHz。测量结果显示在频率显示窗口中。若输人的被测信号幅度大于3V时，应接通输人衰减电路，可用外测频输人衰减键（ATT)进行衰减电路的选通，外测频输入衰减指示灯亮起表示外测频输人信号被衰减20dB。外测频为等精度测量方式，测频闸门自动切换，不用手动更改。
2.使用中的注意事项：
1)本仪器采用大规模集成电路，调试、维修时应有防静电装置，以免造成仪器受损。
2)请勿在高温、高压、潮湿、强振荡、强磁场士强辐射、易爆环境、防雷电条件差、防尘条件差、温湿度变化大等场所使用和存放。
3)请在相对稳定环境中使用，并提供良好的通风散热条件。校准测试时，测试仪器或其他设备的外壳应良好接地，以免意外损害。
4)当熔丝熔断后，请先排除成因故障。注意！更换熔丝以前，必须将电源线与交流市电电源切断，把仪表和被测线路断开、将仪器电源开关关断，以避免受到电击或人身伤害。并仅可安装具有指定电流、电压和熔断速度等额定值的熔丝。
5)信号发生器的负载不能存在高压、强辐射、强脉冲信号，以防止功率回输造成仪器的永久损坏。功率输出负载不要短路，以防止功放电路过载。当出现显示窗显示不正常、死机等现象出现时，只要关一下机重新启动即可恢复正常。
6)为了达到最佳效果，使用前请先预热30min。
7)非专业人员请勿擅自打开机壳或拆装本仪器，以免影响本仪器的性能，或造成不必要的损失。
西安安泰测试设备维修中心于2008年创立，专业从事各种测试测量仪器及系统的维修与技术支持服务，始终保持与持续拓展领先的维修技术与能力，具备对各类型采用复杂封装工艺加工生产的高端仪器进行芯片级维修的技术能力。我公司依靠精良的检修设备，过硬的维修技术，合理的维修价格，高效的维修周期和完善的售后服务，打破了原厂的垄断局面，为客户节省维修费用，缩短维修周期。目前，西安安泰测试设备维修中心已配备各类型硬件检测设备及专业的集成器件维修平台，不仅可以帮助客户大幅降低维修成本，并且为用户提供包括返厂维修在内的各种增值服务。
了解暗物质的性质和起源是 21 世纪物理学最重要的目标之一。通过高空气球搭载反粒子频谱仪（GAPS）项目是一种搜索低能宇宙射线反氘核的新方法。通过 2010 年代末在南极洲上空的长航时气球（LDB）或超长航时气球（ULDB）飞行，GAPS 将以极高的灵敏度探测反氘核，其灵敏度比 BESS 设定的唯一上限（Fuke 等人，2005 年）高出两三个数量级，或者与国际空间站上正在进行的 AMS-02 实验（AMS-02，网站）相当，甚至更灵敏！本期介绍GAPS在日本开展的验证性飞行实验。
pGAPS 实验：GAPS 原型的工程气球飞行
Hideyuki Fuke, Rene A Ong, Tsuguo Aramaki, Nobutaka Bando, Steven E Boggs, Philip v Doetinchem, Florian H Gahbauer, Charles J Hailey, Jason E Koglin, Norm Madden, Samuel Adam I Mognet, Kaya Mori, Shun Okazaki, Kerstin M Perez, Tetsuya Yoshida, Jeffrey Zweerink
日本宇宙航空研究开发机构太空和宇航科学研究所（ISAS/JAXA），日本神奈川相模原 252-5210
美国加州大学洛杉矶分校物理与天文学系，美国加利福尼亚州，洛杉矶，90095
美国纽约10027 号哥伦比亚大学天体物理学实验室
美国加州大学伯克利分校空间科学实验室，加州94720 号
https://doi.org/10.1016/j.asr.2013.06.026
摘要：通用反粒子光谱仪（GAPS）项目正在进行中，目的是寻找初级宇宙射线反粒子，特别是冷暗物质产生的反氘核。GAPS计划在 2010 年代末通过南极长时间气球飞行实现科学观测。为准备南极科学飞行，2012 年 6 月在日本成功进行了一次使用 GAPS 仪器原型 “pGAPS “的工程气球飞行，以验证 GAPS 各子系统的基本性能。现简要报告pGAPS 飞行活动的概要。
关键词：暗物质，宇宙射线反氘核，原型气球实验
1. 引言
了解暗物质的性质和起源是 21 世纪物理学最重要的目标之一（Bertone et al.）。虽然我们知道宇宙的物质构成以暗物质为主，但暗物质的本质仍然悬而未决。暗物质或冷暗物质的主要候选者是弱相互作用大质量粒子（WIMP）。
为了揭示暗物质的本质，目前主要有三种实验方法。第一种是直接寻找暗物质，试图探测暗物质与目标物质弹性散射产生的反冲核。第二种方法是尝试在粒子加速器（如大型强子对撞机）上通过高能对撞产生暗物质候选粒子。第三种方法是在宇宙辐射中寻找暗物质的间接证据，如伽马射线、正电子、中微子、反质子和反氘核中的特征信号，这些信号可能由 WIMPs 的成对湮灭产生。
正如 Donato 等人（2000 年）首次指出的那样，在这些间接探测器中，尚未发现的反氘核有望提供暗物质特别敏感的间接特征。宇宙射线在星际介质中的相互作用产生的次级反氘核通量，在大约 1 GeV 以下的低动能区一定会受到运动学抑制。另一方面，源于 WIMPs 的原反氘核的能谱可以通过强子化和凝聚产生较柔和的能谱，从而在低能区产生一个高于次级反氘核能谱的峰值。因此，对低能反氘核的搜索本质上具有非常高的信噪比。研究指出，这种有吸引力的 “无背景 “特征是宇宙射线反氘核的独特优势，在各种暗物质模型中都很常见，这些模型产生了候选粒子，如宇宙超维（UED）理论中的中微子（即最轻的超对称粒子，或 LSP）、卡卢扎–克莱因粒子（LKP）和右旋中微子（LZP）（Edsjo et al、 2004, Profumo and Ullio, 2004, Baer and Profumo, 2005, Ibarra and Tran, 2009, Bräuninger and Cirelli, 2009）。
此外，反氘核搜索是直接和其他间接探测方法的补充，因为它探测了暗物质模型允许参数空间的不同部分（Baer 和 Profumo，2005 年）。因此，应该采用多种探测方法来限制（甚至确认）各种模型的可用参数空间。另外，反氘核搜索也可以探测原始黑洞蒸发的信号（Barrau 等人，2003 年）。
通用反粒子频谱仪（GAPS）项目是一种搜索低能宇宙射线反氘核的新方法。通过 2010 年代末在南极洲上空的长航时气球（LDB）或超长航时气球（ULDB）飞行，GAPS 将以极高的灵敏度探测反氘核，其灵敏度比 BESS 设定的唯一上限（Fuke 等人，2005 年）高出两三个数量级，或者与国际空间站上正在进行的 AMS-02 实验（AMS-02，网站）相当，甚至更灵敏。图 1 比较了 GAPS 对反氘核的灵敏度和几种暗物质的预期能谱。
图 1. 大气层顶部的宇宙射线反氘核能谱，与 GAPS 灵敏度、AMS-02 灵敏度和 BESS 上限（Fuke 等，2005 年）的比较。蓝色虚线（LZP）、紫色实线（LSP）和绿色虚线（LKP）代表暗物质湮灭产生的主要反氘核通量（Baer 和 Profumo，2005 年）。橙色虚线代表源于原始黑洞蒸发的主要反氘核通量（Barrau 等人，2003 年）。红色虚线代表宇宙射线相互作用产生的二次/三次通量 “背景”（Duperray 等人，2005 年）。在这些理论光谱中，太阳调制参数（Fisk，1971 年）被假定为 PHI=800MV。GAPS 灵敏度是根据 LDB 60 天和 ULDB 300 天的综合飞行时间假设估算的。AMS-02 的灵敏度假设为 5 年观测。
2. GAPS 项目
与使用磁质谱仪的 BESS 和 AMS-02 不同，GAPS 引入了一种利用奇异原子的激发序列的独创方法（Mori 等人，2002 年；Hailey 等人，2004 年）。当反氘核从太空到达时，它会被残留大气、GAPS 飞行时间计数器和目标材料中的 dE/dx 能量损失所减慢。蚁氘核在靶中停止后，会在激发态形成一个奇异原子，其概率接近统一。然后，通过辐射跃迁，奇异原子脱激，发放出特征 X 射线。X 射线的能量由异质原子的物理特性严格决定，从而提供了来袭（反）粒子种类的粒子识别信息。X 射线发放后，反氘核在原子核内湮灭，产生特征数量的离子和质子，从而提供额外的粒子识别信息。通过要求 X 射线与离子或质子重合，我们可以将蚁氘核与宇宙射线反质子、质子和意外 X 射线等背景过程区分开来。通过使用 KEK 反质子束线对各种目标材料进行加速器测试，验证并确认了这一探测原理（图 2）的实用性（Hailey 等人，2006 年）。
图 2. GAPS 的探测概念。反粒子减速并停在靶中，然后形成受激的外来原子，接着发生脱激，发放 X 射线，并产生核湮灭，产生离子和质子。
正在开发的GAPS 探测器主要由大型像素化锂漂移硅探测器（Si(Li)）和大型飞行时间（TOF）计数器（Fuke 等人，2008 年；Aramaki 等人，2010 年）组成。在一个边长约 2 米的长方体空间中，成千上万个手掌大小的硅（锂）晶片排列成十几层。硅（锂）探测器既是降解器，也是深度感应探测器，用于了解穿透长度、停止目标、X 射线能量测量探测器和带电粒子跟踪器。硅（锂）探测器所需的能量分辨率约为 3 千伏，这在-30 ℃左右的低温条件下是完全可以实现的。
TOF 计数器配有 3-5 毫米厚的塑料闪烁片桨叶，可产生触发信号并测量飞行时间（或速度）和能量沉积 dE/dx。TOF 计数器可大致确定到达方向，还可用作先驱/质子探测器和否决计数器。TOF 所需的时间分辨率约为 0.5 毫微秒。
如前所述，GAPS 计划通过南极上空的 LDB 或 ULDB 气球飞行来实现反氘核搜索。极地气球飞行对 GAPS 来说是最佳选择，因为地磁极附近的低刚度截止点可以直接观测到低能带电宇宙射线。
3. 工程飞行 “pGAPS
在为 GAPS 科学飞行做准备时，我们进行了”pGAPS”–一个带有 GAPS 仪器原型的气球实验（Hailey 等人，2013 年）。pGAPS 的目的是验证和展示 GAPS 各子系统在气球飞行条件下的基本性能。pGAPS 飞行准备从位于北海道大木市的日本宇宙航空研究开发机构科学气球设施大木航空研究场（TARF）发放（Fuke 等人，2010 年）。由于以下三个原因，pGAPS 无法探测反质子或反氘核：(i) 地磁刚度截止值高（50% 截止值约为 8 GV），(ii) 飞行时间短（平流层高度约为 3 小时），(iii) 探测器接收量小（约为 0.054 m2sr）。
相反，pGAPS 有三个目标：(i) 展示硅(锂)探测器和 TOF 计数器在浮空高度和环境温度下的运行情况；(ii) 获取热数据以验证硅(锂)冷却系统；(iii) 测量非相干本底水平。
特别是对于第二个目标来说，气球的实际飞行是必不可少的，因为在实验室里不容易同时模拟低温、低压（但不是真空）、太阳辐射和来自地球的红外辐射等飞行条件。第一个和第三个目标对于确认飞行前环境测试中测得的噪声水平以及验证探测器设计模拟中估计的背景水平非常重要。
3.1 pGAPS 有效载荷
图 3 显示了 pGAPS 有效载荷的整体配置。pGAPS 有效载荷由两部分组成：上部和下部。下部安装了用于 JAXA 气球运行的总线设备和电池。大部分 pGAPS 科学仪器，如 Si（锂）探测器、TOF 计数器和前端电子设备，都安装在上部。在有效载荷顶部的上方（降落伞飞行列车的下方），安装了一个旋转器，以大致控制有效载荷的姿态。pGAPS 有效载荷重约 510 千克，pGAPS 科学仪器的总功耗约为 430 瓦。
图 3. pGAPS 有效载荷的配置
pGAPS 上安装了六个硅（锂）探测器（晶片），每列三个探测器。每个 Si(Li)探测器都有一个前置放大器，每八个条带都有独立的读数，具有 X 射线和离子/质子的双重能量范围。在进行 pGAPS 飞行之前，在完全组装好的有效载荷顶部放置了一个镅 241 放射源，在 -35 °C 温度下测得的 X 射线能量分辨率约为 5.6 千伏。为了在飞行中校准硅(锂)探测器，还在 pGAPS 上安装了一个 X 射线管（带有滤波器，可在 26 keV 和 35 keV 处形成峰值）。
在硅（锂）探测器的冷却系统方面，安装了两种原型冷却系统。一种是使用泵送流体的闭环强制对流系统的基准方案，在飞行期间实际用于冷却硅（锂）探测器。另一种是具有挑战性的可选方案，使用振荡热管（OHP）系统，该系统与独立于实际探测器的假热负载相连。这两个系统都将热量转移到有效载荷侧壁上的一个单独散热器上，以便将热量散发到太空中。
安装在 pGAPS 上的 TOF 计数器由三层交叉的塑料闪烁片组成。每个闪烁器桨的两端都有一个光电倍增管（PMT）读出器。光电倍增管阳极和阳极信号均由高速放大器缓冲，然后发送到读出电子装置。前沿鉴别器对反相动态信号进行采样，并停止分辨率为 50 ps 的数字时间转换器（TDC）。实现的时间分辨率约为 0.5 ns。阳极信号由电荷-ADC（qADC）采样，分辨率为 0.25 pC。这样，TOF 信号就可用于 dE/dx 测量、飞行时间测量和触发。
在触发方面，采用了两种触发模式： TOF 触发模式和 Si（Li）自触发模式。为了适应这两种触发模式，Si(Li) 读出系统被设计为在两种相应的模式下运行。主模式是在 TOF 逻辑形成的 TOF 触发器上启动事件处理，与所有子探测器同时测量带电粒子轨迹。硅（锂）自触发模式用于 X 射线校准和本底测量，在发出硅（锂）自触发时忽略 TOF 触发。
机载飞行计算机收集所有子系统的数据。数据存储在机载数据存储器中，并通过总线设备遥测发送到地面。遥控指令可从地面发送到飞行计算机，以实现有效载荷控制，包括软件模式切换和各子系统的电源开关。电子设备，如飞行计算机以及硅（锂）探测器和 TOF 计数器的前端电子设备安装在两个容器中–一个加压容器和一个防水容器–以适应飞行任务中遇到的不同条件：高空低气压和回收时的海水。
pGAPS 使用一次锂电池作为电源，以减轻有效载荷重量。用于南极飞行的 GAPS 将使用太阳能电池板和可充电电池。锂电池的电力通过直流-直流转换器分配给各个子系统。pGAPS 有效载荷的详细情况将在其他地方报告。
3.2 pGAPS 飞行活动
pGAPS 有效载荷的上部和下部分别在加州大学伯克利分校和 ISAS/JAXA 集成。2012 年 5 月，上部有效载荷被运往日本，进行整个 pGAPS 系统的有效载荷集成和地面测试。在日本的准备工作首先在 ISAS/JAXA 相模原园区进行。然后，在转移到发放场 TARF 之后，进行了最后的准备工作，包括电信兼容性测试和彩排。
6 月 3 日凌晨 4 点 55 分，pGAPS 有效载荷从 TARF 发放升空。经过 3 小时的上升，其中 1.5 小时按照所谓的回旋镖飞行操作（Nishimura 和 Hirosawa，1981 年）向东漂移，气球于上午 8:05 左右到达水平高度。然后，气球在31-33千米左右的水平高度向西漂浮了3小时。飞行在海岸附近结束，然后在上午 11 时 36 分溅落后仅 9 分钟内就从海上安全回收了有效载荷。
图 4 和图 5 显示了 pGAPS 有效载荷在发放前和回收过程中的情况。图 6 和图 7 分别显示了飞行轨迹和飞行高度曲线。
图 4. 气球充气时安装在发放器上的 pGAPS 有效载荷。
图 5. 在海上回收的 pGAPS 有效载荷。
图 6. pGAPS 气球的飞行轨迹。
图 7. pGAPS 气球飞行的高度曲线。
3.3 pGAPS 飞行数据
pGAPS 有效载荷在整个飞行过程中都在运行。记录了 100 多万个事件。遗憾的是，有效载荷姿态控制的旋转器在飞行过程中因操作失误而失灵。不过，在整个飞行过程中，有效载荷的所有其他组件基本上都工作正常。我们的初步分析证实，矽（锂）探测器和 TOF 计数器表现出良好、稳定的性能和低噪声。图 8 显示了飞行期间记录的一个事件实例。此外，还按计划获得了用于评估冷却系统的温度数据和类似飞行配置的非相干宇宙射线背景数据。正在进行的分析结果将在其他地方介绍。
图 8. pGAPS 飞行期间记录的事件示例
4. 总结
GAPS 项目旨在寻找冷暗物质湮灭产生的未被发现的宇宙射线反氘核。GAPS 计划通过 LDB（或 ULDB）气球飞行多次飞越南极洲，以达到较高的反氘核灵敏度。为准备南极飞行，2012 年 6 月从日本气球基地发放了 GAPS 的原型”pGAPS”，以验证 GAPS 子系统的基本性能。pGAPS 飞行非常成功；所有关键组件运行良好，飞行期间记录了 100 多万个事件。目前正在对飞行数据进行详细分析。
致谢
我们感谢 J. Hoberman 开发了 GAPS 电子系统，感谢 G. Tajiri 和 D. Stefanik 提供了机械工程支持。我们感谢 H. Ogawa 教授和 Y. Miyazaki 教授对 OHP 开发的支持。我们感谢 ISAS/JAXA 科学气球办公室为 pGAPS 飞行提供的专业支持。这项工作在美国得到了 NASA APRA Grants (NNX09AC13G, NNX09AC16G) 的部分支持，在日本得到了文部科学省 Grants KAKENHI (22340073) 的部分支持。
图文鉴赏
这幅图描述了我们身处宇宙就像一个伸展的气球表面，我们就像生活在气球表面的2微生物。
这个比喻基于一个部分充气的气球，气球上画着银河系形状的小圆点。要正确理解这个比喻，你必须考虑到气球表面之外什么都不存在。换句话说，想象你是一个完全存在于气球表面的二维生物–一个棒状人形。你可以向气球表面的任何方向移动，但不能离开气球表面。现在，把自己定位在其中一个星系中，观察气球膨胀到更大时发生的情况，就如上面这个图片表示的变化。