基于电流放大芯片的Micromegas探测器高集成度读出电子学设计

高分辨、大面积Micromegas探测器广泛应用于粒子物理实验、医学成像和工业检测等领域。针对Micromegas探测器多通道的读出需求,设计并实现了一种512通道的高集成度前端电子学(compact frontend electronics,Compact_FEC)。该电子学采用电流读出芯片ADAS1128,芯片集成128个电流放大器,可实现多通道电荷信息测量。电子学支持USB3.0和千兆以太网通信,可实现与上位机进行通讯交互。通过对电子学性能进行测试,在电子学线性动态范围为−77.97~0 fC的测试条件下,增益约213.6 Code/fC,积分非线性为2.7%,噪声小于0.7 fC。为验证读出电子学对Micromegas探测器阳极条信号的读出能力,利用^(55)Fe放射源进行X射线能量分辨率测试,同时利用宇宙射线进行缪子击中位置重建位置分辨率测试。通过放射源测试可探测到X射线的全能峰与Ar逃逸峰;其中全能峰能量分辨率约20.23%@5.9 keV,全能峰与逃逸峰峰值比约2.09∶1。缪子击中位置测试结果表明,读出电子学测得Micromegas探测器x维度和y维度的位置分辨率分别为0.240 mm和0.243 mm。上述两项测试验证了Compact_FEC在单粒子测量模式下可用于读出Micromegas探测器。

基于自研ASIC芯片HEPS中硅微条探测器读出电子学原型系统设计与测试

时间分辨X射线粉末衍射技术是探测物质晶体结构及其演变的重要手段。单光子计数型硅微条探测器因其灵敏度高和死时间低,在高能同步辐射光源(HEPS)的X射线粉末衍射实验中发挥着重要作用。研制适用于单光子计数型一维硅微条探测器的专用ASIC读出芯片(SSDROC)及其读出电子学系统,并采用一种新标定方法解决了SSDROC各通道对同一输入输出响应不一致的问题,该方法可显著提高各通道数据一致性并减小衍射实验数据的统计误差。探测器完成各项性能测试,结果表明整体系统线性优秀、能量分辨能力强、噪声低以及计数率高,为将来大覆盖角度一维硅微条探测器系统研制奠定坚实基础。

用于新型塑料闪烁体阵列探测器的多通道前端读出电子学设计

介绍一种用于新型塑料闪烁体阵列探测器系统的前端读出电子学(FEE)的设计与实现,该前端读出电子学主要基于电荷测量专用的集成电路(ASIC)芯片和现场可编程逻辑门阵列(FPGA)研制,可实现对多路探测器信号的采集、处理、筛选、打包,并通过LVDS差分接口上传到后端的数据获取系统(DAQ)。同时,该电路设有板载线性标定电路,可实现对各通道电子学性能刻度,设有电源电流、关键芯片及电路温度实时监控等电路,使电路具有较完善的功能和较强的自我保护能力。

中子闪烁探测器前端电子学的抗饱和改进

ICF实验会产生大量X射线和γ射线,其在光电倍增管(PMT)中产生的脉冲信号过大,导致前端电子学电路饱和,严重影响电路的正常工作和中子飞行时间的测量。结合前端电子学系统的结构,对电路饱和的原因进行了深入分析,提出了非线性抗饱和电路改进方案,并进行了仿真和实验研究。仿真结果表明,该设计方案能够大幅衰减大信号而确保小信号的通过,信号通过后电路基线能在35 ns内恢复;电路的实测结果与仿真结果基本相同。这表明:采取的方案简洁有效,能够确保输入高达数十V脉冲的情况下电路的正常工作。目前这一电路已经得到应用,并将安装在某大型激光原型的大阵列中子探测器上。

大面积GEM中子探测器高计数率读出电子学系统研制

研制并测试了GEM中子探测器的512通道高计数读出电子学系统,以满足中国散裂中子源高效率、高分辨、高通量二维位置灵敏中子探测器的需求.系统以Kintex-7 FPGA作为系统控制和数据分析的核心,使用8块AS20Board前端芯片对灵敏面积为200 mm×200 mm的探测器的两个维度的信号进行读出,读出通道为256×256.读出数据经FPGA分析后通过千兆以太网传输至计算机显示.计算机可通过千兆以太网发送配置指令对前端采样电路和FPGA算法进行配置.系统与探测器组装后在中子束流实验中测得系统最高瞬时计数率为(1.2±0.1)×10^6s^-1,系统运行稳定,受噪声干扰小.

高分辨率X射线探测器读出电子学系统的研制及性能测试

本文针对光锥耦合X射线探测器低噪声的设计要求,研制了一套读出电子学系统,该系统包括模拟驱动电路、前端处理电路及基于现场可编程门阵列（FPGA）的数字信号处理电路。利用X射线成像平台,对研发的探测器进行了性能测试。探测器系统绝对增益为0.168 6DN/e-,线性工作范围为0-154μGy。制冷温度为-20℃时,暗电流噪声为0.037e-/（pixel·s）,读出噪声为10.9e-。探测器的本征空间分辨率达16lp/mm。测试结果表明,研制的读出电子学系统能满足高分辨率X射线探测器对低噪声特性的需求。

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.

MCP成像探测器前端电子学增益补偿

基于微通道板电子倍增电荷分割型阳极的成像探测器常用于行星大气、气辉等微弱信号探测。针对探测器读出电路增益不相等导致探测器成像产生畸变的问题,利用理论分析结合MATLAB仿真揭示了不同畸变图像的形成机制,在该基础上提出了一种探测器读出电路增益补偿方法减小探测器成像畸变。通过MATLAB仿真和实验测试结果表明该文提出的方法能够有效减小由于读出电路增益不相等导致的探测器成像畸变。

基于探测器阵列的核电子学读出电路设计

根据探测器输出信号的特点,设计出基于探测阵列的核电子学读出电路。通过分析电路原理进行整体的电路设计,包括重心定位电路、整形电路及甄别电路等模块的设计。实验证明,该电路具有较强的可行性,可应用于多种探测器,为此类电路的研究提供理论参考。

用于SiC中子探测器的幅度脉冲调制电荷灵敏模拟前端电路设计

针对SiC沟槽型中子探测器输出的极其微弱的电流脉冲信号,设计了一款专用四通道读出集成电路。每个通道由高增益高带宽电荷灵敏放大器、高阶整形电路、峰值保持和时间检测电路组成,优化了电荷灵敏放大器(CSA)反馈回路,提高了增益线性度,避免了漏电流流入对基线的影响。电路能够快速响应输入信号,实现对能量和时间信息的提取。电路采用0.18μm CMOS工艺完成设计,实现了版图设计,后仿真结果表明,系统等效输入电荷范围为1.14 fC~22.35 fC,电荷转换增益为71.19 mV/fC,非线性误差在1.6%以内,等效噪声电荷为22 e^(-)。电路具有高增益高线性度的优点,能很好针对SiC沟槽型中子探测器输出电荷信号的特点,对其进行专用读出放大。

用于CdZnTe探测器的低噪声前端读出电路

设计并实现了一种应用于多通道CdZnTe探测器的低噪声前端读出专用电路,并对其性能进行了测试与评估。每个读出通道由电荷灵敏放大器、漏电流补偿电路、零极相消电路、CR-(RC)4整形器、输出缓冲器以及反相放大器组成。芯片采用TSMC 0.35μm CMOS工艺实现,尺寸为2.6mm×2.2mm。测试结果表明,读出通道的能量分辨范围为5~375keV,每通道功耗小于3.5mW,最小等效噪声电荷仅为49.6e-。将EV公司的CdZnTe探测器与该前端读出电路芯片相连,组成辐射检测系统,并使用241 Am源进行能谱分析,所得能谱主峰的能量分辨率仅为5.2%。

用于CdZnTe探测器的高速前端读出电路

采用0.35μm CMOS工艺,设计了一种用于CdZnTe探测器的16通道高速前端读出电路。整体电路由16个模拟通道、偏置模块和逻辑控制模块组成,每个通道包括电荷敏感放大器、漏电流补偿电路、成形器、基线保持电路、峰值检测保持电路和时间甄别器。分析了高入射频率下主要电路模块的性能及通道的读出时序。仿真结果表明,本前端读出电路的输入能量范围为29~430 keV@1~15 fC,每个通道功耗小于1.8 mW,等效噪声电荷为87.6e^(-),最大能补偿的漏电流为50 nA,达峰时间为150 ns,通道增益为50 mV/fC,非线性小于1%,最高注入频率为500 kHz。

用于碲锌镉探测器前端读出电路的SAR ADC设计

针对碲锌镉探测器前端读出电路要求低功耗、低噪声、高精度的特点,设计了一种12-bit、1Ms/s的逐次逼近式模数转换器(SAR ADC).该模数转换器由数模转换器(DAC)和比较器等组成.其中DAC采用电荷按比例缩放结构,利用电荷守恒原理,提高了缩放电容的匹配精度.比较器采用多级预放大器级联的动态锁存器结构,采用输出失调校准技术提高了比较器的精度.整个电路采用TSMC 0.18μm 1P6MCMOS混合工艺进行设计和实现.仿真结果表明,在1MHz的采样率、输入为97KHz正弦信号下,SAR ADC的DNL为-0.1/0.37LSB,INL为-0.44/0.32LSB,SNR为65.33dB,ENOB为10.55bit,功耗为1.17mW,满足了系统的设计要求.

大亚湾实验RPC探测器信号读出前端板的高精度甄别阈的设计

介绍了大亚湾中微子振荡实验中阻性板探测器RPC(Resistive Plate Chamber)读出电子学前端板FEC(Front-End-Card)上高精度甄别阈电路的设计原理和相关测试。该电路具有高精度、低的甄别阈值设置能力、好的一致性保障等特点。在介绍该电路设计原理的同时,也给出了相应的检测实验和结果。

微网探测器电子学噪声测试

引言:研究无中微子双贝塔衰变现象的PandaX-III实验使用科大提供的通用读出电子学进行数据采集工作。实验中使用在原子能院为PandaX-III实验建立的探测器测试平台中测试电子学与bulk Micromegas(微网探测器)连接的噪声水平,测试给出了在调试探测器的过程中降低噪声的一些方法以及所有通道RMS(均方根偏差)分布图。实验表明电子学信号RMS平均值在9ADC。等效噪声电荷为0.23fC,满足设计需求。PandaX-III实验设计的电子学系统在噪声采集方面工作正常,为下一步使用电子学测试探测器坏道分布,增益均匀性等性能参数的测量创造了良好的使用条件。

SiC中子探测器的高速前端读出电路设计

基于平面型SiC中子探测器应用要求,设计了一种5通道高速模拟前端读出电路,并对其性能进行仿真和测试。单个读出通道包括前置放大模块、极零相消电路、滤波整形模块和采样保持电路。针对滤波整形器对电路读出速度的影响,通过改变CR-(RC)n滤波成形器的阶数n与成形时间的大小,在满足电路其它设计指标的条件下,优化电路读出速度。电路采用180 nm CMOS工艺设计,整体版图的尺寸为1423μm×1013μm。仿真结果表明,单个通道的非线性度小于3%,最小输入等效噪声为66.1e-,单通道增益为16.7 mV/fC,成形时间为25 ns。读出芯片的整体功能满足平面型SiC中子探测器的应用要求。

核电子学在空间科学探测领域的应用

21世纪以来,随着科学技术的进步和对宇宙探索的不懈追求,我国成功发射了多颗空间科学卫星和深空探测载荷。在这些空间科学卫星或搭载的科学仪器中,核与粒子探测器发挥着至关重要的作用。核电子学作为探测器的重要组成部分,其功能涵盖前端信号放大读出、数字化、触发判选与处理等多个环节。空间科学探测中的核电子学除满足探测器在高分辨率、大动态范围、精确粒子鉴别和数据压缩等方面的需求,同时还须符合空间环境下的抗辐照、高可靠性和长寿命等工程要求。本文通过回顾核电子学在我国空间探测领域的应用,希望为核电子学技术在空间科学领域的进一步发展提供参考和见解。论文分析了几个空间科学任务中的核电子学设计方案,包括暗物质粒子探测卫星(Dark Matter Particle Explorer,DAMPE)、硬X射线调制望远镜(Hard X-ray Modulation Telescope,HXMT)、引力波暴高能电磁对应体全天监测器卫星(Gravitational Wave High-energy Electromagnetic Counterpart All-sky Monitor, GECAM)、天问一号(Tianwen-1)、先进天基太阳天文台(Advanced Space-based Solar Observatory, ASO-S)和爱因斯坦探针卫星(Einstein Probe,EP)等。在此基础上,本文进一步探讨了核电子学技术对于实现空间探测科学目标的重要性及其面临的挑战,包括创新性、空间环境适应能力等方面,并对未来的发展方向进行了展望。核电子学是核与粒子探测的核心技术,在空间科学任务中,核电子学系统除必须满足对探测器信号进行精密读出等所需要达到的电性能参数方面的要求,还要确保在太空特殊环境中的长期可靠性。此外,随着科学目标的拓展和提升,空间探测任务对核电子学的数据处理和传输能力也提出了更高的要求。同时,受益于新材料、先进工艺和人工智能等技术的发展,未来的核电子学系统有望更紧凑、可靠和智能化。核电子学的持续发展有望为实现更高水平的空间科学探测提供强有力的支持,推动对宇宙空间的更深度探索。

双面硅条探测器读出系统设计

双面硅条探测器（DSSD）用于实现中国电磁监测试验卫星高能粒子探测器载荷的望远镜系统。为了实现DSSD读出电子学低功耗、高集成度的要求，设计了一种基于ASIC VA64TA2的电子学读出系统，使用241 Am 5.486 MeV α源对DSSD读出系统进行了测试。DSSD探测器结面分辨率为1％～2％，欧姆面分辨率为3％～4％，达到了探测器额定性能。

CZT探测器低噪声读出电路设计

采用TSMC 0.35μm CMOS工艺,设计了CZT探测器低噪声读出电路链和一款多通道能量读出ASIC,该电路将应用于8×8CZT像素探测器的能量读出。给出了系统框图及低噪声能量读出电路链,分析了低噪声技术策略。实验结果表明,能量分辨范围为20keV～4MeV,等效噪声电荷(ENC)小于150个电子,电荷转电压增益为9.2V/pC,非线性度小于3%,多通道串扰小于10个电子,满足设计需求。

DAMPE-PSD读出电子学研制

暗物质粒子探测卫星(dark matter particle explorer,DAMPE)是我国空间科学卫星系列的首发星,用于找出可能的暗物质粒子信号。塑料闪烁体阵列探测器(plastic scintillator detector,PSD)分系统作为卫星有效载荷的主体部件之一,参与承担高能粒子电荷测量和电子/γ射线鉴别任务。PSD由82根塑料闪烁体条和164个光电倍增管(photomultiplier tube,PMT)组成,有328个输出通道,每根塑料闪烁体条的动态范围为2×10~3,需配备1套完备的读出电子学系统。该电子学系统由4块前端电子学(front-end electronics,FEE)板构成,共具有360个信号处理通道,总功耗6W。电路主要包括电荷测量电路、模拟调理电路、模数变换电路、刻度电路、环境监测电路、FPGA电路、电源管理电路以及接口电路等,其主要功能是基于32路模拟信号将PMT的电荷信号输入VA160ASIC芯片,考虑了抗辐照加固、温度设计等一系列关键问题,以确保在严酷的太空中具有长期的可靠性。测试结果表明,该FEE系统工作稳定、性能良好,具有较好的技术指标,每个电子学通道实现了0~12.5pC的动态范围,通道的随机噪声水平好于2fC,积分非线性好于0.6%。FEE能适应恶劣的空间环境,具有很高的可靠性。FEE配合PSD样机还分别于2014年和2015年在欧洲核子中心(CERN)的PS和SPS终端成功完成了2次束流试验,验证了PSD的探测能力完全满足任务书中提出的功能和指标要求,能很好实现实际科学任务需求。