微结构气体探测器多通道高速读出系统研制

本文设计并实测了用于多通道微结构气体探测器信号读出的512通道电子学系统。该系统以Spartan-6FPGA作为控制和数据处理核心,使用4通道ADC芯片对4片APV25芯片的输出信号进行同步模数转换,经千兆以太网发送命令和传输数据,计算机端则以双线程分别接收和发送数据。实测输入电容低于200pF时,系统噪声低于2 000e,有效电荷输入范围为±20fC,12fC以下时线性良好。经长时间测试,系统稳定可靠,千兆网数据传输速率可达940 Mb/s。单片APV25工作时,连续触发率可达APV25上限285kHz,4片时则为134kHz。在实际应用于GEM探测器α射线成像实验中取得了较好的成像结果。

微结构气体探测器中紫外激光束的信号和指向精度实验研究

在气体探测器研究中,利用266 nm紫外激光的双光子电离物理机制使气体电离产生可测量的信号,是一种重要的标定方法.随着微结构气体探测器(MPGD)的不断发展,用紫外激光标定来实现较高精度位置分辨率成为了一种研究需求,对此有两个关键技术问题需要解决:实验研究激光可测信号大小以及激光指向精度.分析和模拟计算了紫外光电离信号大小和激光调光误差,基于微结构气体电子倍增器探测器与266 nm波长激光束,在工作气体Ar/CO_2(70/30)中,测量了不同光斑面积与输出信号的关系;设计和研制了紫外激光调光系统,实验测量了紫外光调光偏差.模拟结果与实验结果对比分析表明:紫外激光束作用于气体探测器,探测器增益在5000,前放增益为10 mV/fC时, 6 mm读出条宽输出信号幅度约400 mV;在探测器内传播距离为400 mm时,较短时间内(10—20 min)实验调光指向精度可以保证小于5′,引入z向偏差最大可以达到0.33 mm,对应z向漂移速度的测量相对误差为6.4×10-4.该研究为MPGD与紫外激光标定实验设计提供主要的设计参考.

用于微结构气体探测器的类金刚石碳阻性电极制备研究

通过磁控溅射法制备了用于微结构气体探测器(MPGD)的新型类金刚石碳(DLC)阻性电极,研究了靶电流、真空度、元素掺杂等因素对DLC阻性电极面电阻的影响规律,以及DLC阻性电极结合强度和内应力的优化方法.结果表明:随靶电流的增大,DLC阻性电极的面电阻降低;真空度越高,DLC阻性电极的面电阻越小,稳定性越好;氢元素和氮元素的掺杂使得DLC阻性电极的面电阻增大,且氢元素影响更加明显.本文方法为新构型微结构气体探测器的研发和性能提升奠定了技术基础.

基于FELIX的微结构气体探测器读出电子学系统设计

微结构气体探测器因其精度高、面积大等优点,在粒子物理实验中得到了非常广泛的应用.微结构气体探测器的未来应用将面临ASIC种类多、通道数多、数据量大等问题,给读出电子学系统的设计带来了很大的挑战,已成为微结构气体探测器进一步发展应用的瓶颈.FELIX系统具有数据带宽大、通道数多等特点,可很好解决这一问题.基于FELIX的电子学系统由完成探测器信号数字化的前端电子学模块、完成数据汇总的GBT模块、完成数据读出的FELIX系统、完成数据处理的数据处理终端组成,可完成10240路半数字通道读出或4096路模拟通道读出.该系统与Micromegas探测器一起实现宇宙线径迹探测,验证了该系统的通用性和兼容性,为微结构气体探测器的应用需求提供了一个通用的解决方案.

基于AGET芯片的MPGD探测器前端电子学设计

本文介绍了一种基于AGET芯片的微结构气体探测器前端电子学系统。该系统采用模块化结构,单个模块具有4片AGET芯片,可同时接收256路探测器信号;通过多个模块并行工作,可处理更大规模的探测器通道。该系统具有多通道、高集成度、低噪声和可扩展等优点,可适应微结构气体探测器等的读出需求。经电子学测试,该系统在不同动态范围,不同达峰时间的积分非线性均小于2%,等效噪声电荷小于1 700 e。

栅型气体电子倍增器的研制

实践中发现,微结构气体探测器(MPGD)遇到三方面挑战:打火时放电电流的抑制与稳定运行、单元面积增大后的生产工艺以及孔型结构带来的探测位置重建偏差.为解决以上问题,本文提出了一种新型结构的MPGD——栅型气体电子倍增器(Groove).使用3种不同几何尺寸的栅型电极,在不同气体中对8.04 keV铜靶X射线的能谱进行测量,以检验探测器性能.与蒙特卡罗模拟计算结果对比表明,探测器信号主要来自雪崩产生的离子.能谱测量结果显示:栅极狭缝宽度0.2 mm、厚度0.8 mm的探测器增益和能量分辨率好于其他尺寸的探测器;在93%Ar+7%CO2中运行时,探测器增益与分辨率两项指标稍好于在95%Ar+5%CH4中.测量得到的探测器增益最高可达3×10^4左右,能量分辨率最高可达15.6%.

基于APV25多通道读出电子学系统设计

介绍了基于APV25芯片的多通道读出电子学系统的设计方法,利用ASIC芯片与可扩展读出系统相结合,实现多通道信号的处理。在该系统中,基于PXI机箱的单个读出板可实现2048路信号的读出及处理,并具有集成度高、低功耗、可扩展等优点。电子学测试结果表明,本系统电荷输入线性动态范围为0-12 fC,APV25等效输入噪声408e,可适应大型物理实验微结构气体探测器、硅像素探测器等探测器的读出需求。

用于MICROMEGAS的电荷灵敏前放芯片研究

介绍了一种用于MICROMEGAS气体探测器的电荷灵敏前放ASIC设计,重点介绍了电路结构,详细分析了电荷灵敏前放的噪声。针对探测器的应用,实现了一种新型电荷灵敏前置放大芯片MMCSA的设计。MMCSA芯片采用Chartered 0.35μm工艺制作,测得的输入电荷范围为2～350 fC,噪声为小于1 000 e-。