一种核探测器多通道读出芯片NPRE及其分立模块的研制

近年来,多种先进粒子探测器系统开始使用专用集成电路芯片(ASIC),芯片的性能对探测器整体性能起着重要作用。论文设计了一种多通道核(粒子)探测器读出芯片,每个通道包含前放、成形、峰值保持等完整读出结构,同时也设计了每个模块单独使用的版本。其信号处理流程为低噪声前置放大器对信号先进行积分预处理,然后送入滤波成形电路形成准高斯型脉冲,峰值保持模块探测并保持其峰值供读出。芯片分立模块目前已完成大部分测试,工作正常,六通道完整芯片也准备与实际探测器联调试用。

基于JavaFx的硅像素顶点探测器原型机数据获取软件的研制

在环形正负电子对撞机(CEPC)实验中,硅像素顶点探测器对空间位置分辨率有着极高的要求,这使得其芯片和探测器设计面临巨大挑战。太初系列硅像素探测器芯片(TaichuPix)是基于CMOS技术的一种重要尝试,其首款工程批芯片被应用于开发第一个全尺寸顶点探测器原型机。为满足顶点探测器原型机在实验中的特定需求,设计并实现了一套基于JavaFx框架的跨平台数据获取系统。该系统能够高效地进行探测器原型机的配置、数据采集、在线数据校验和实时监测,同时提供了一个用户友好的图形化界面。在实验室环境及德国电子同步加速器研究所(DESY)的束流实验中,数据获取系统的功能完善性和运行稳定性得到了验证,充分满足了硅像素顶点探测器原型机的实验需求。

金刚石探测器材料研制与中子探测性能研究

核技术领域快中子监测需要探测器具有耐辐照、快响应和耐高温等特点。相比于其它探测器,金刚石探测器具有体积小、抗辐照能力强、时间响应快等优点,目前国内市场上成熟的探测器产品均采用国外的探测器级金刚石材料。本文基于市售的高温高压单晶晶种,采用氧原子等离子体净化实现杂质并入的控制,获得了低杂质含量的高质量单晶金刚石。金刚石经封装后应用于中国散裂中子源进行中子监测试验,实现了对中子脉冲的能量监测。探测器的中子飞行时间谱显示出明显的脉冲分辨,由于C-12原子核与高能中子高的散射截面,在飞行时间谱上产生了对应的共振峰结构,且中子飞行时间谱显示出较高的可靠性,受探测器波动的影响较小,表明当前的金刚石探测器能够满足快中子束流监测的需求。

MEMS壁面剪切应力传感器研究进展

壁面剪切应力的时间特性是用于反映单个动量运输过程中非稳态结构的一个测量参数,也是湍流中相干位点的一个表征方法,是一个重要的壁面湍流的物理量。目前,主要基于近壁或壁面处的平均速度梯度和换热率与壁面切应力成正比的基础上对MEMS壁面剪切应力开展研究。因此,对MEMS壁面剪切应力传感器进行综述。根据不同的测量方式,MEMS剪切应力传感器主要分为直接测量和间接测量两种类型。对每种测量方法的原理、研究现状、优点和限制进行分析。MEMS技术使得剪切应力传感器取得显著的进步,提高空间和时间分辨率,以及测量结果的准确度。但MEMS剪切应力传感器还需要进一步发展,并且量化测量中的不确定度,才能成为一种可靠的剪切应力测量技术。最后,对未来MEMS剪切应力传感器的发展方向进行总结。

GEM探测器基线值获取和数据零压缩阈值的设定

针对X射线成像GEM探测器,分析了3种基线值获取方法,给出零压缩阈值的最佳设定方法。测试结果表明,采用文中方法给出的零压缩阈值对数据进行零压缩可有效提高数据的有效利用率,从而提高探测器的计数率。在相同时间内,统计量大大提高,也有效改善了探测器的二维成像质量。

基于GEM探测器的数字读出芯片研制

研制了一种适用于高能物理GEM探测器读出系统的数字芯片。芯片采用PAD读出方式,对GEM探测器的输出直接采样,对采样到的信号放大并成形,判断该输入是否超过由外部DAC设定的阈值,给出判断结果,并按照一个串行协议读出。芯片采用0.35μm/3.3 V CMOS工艺设计,后仿真结果显示芯片达到预期研制目标。

一种适用于探测器读出系统的LVDS芯片的研制

研制了一种适用于高能物理中探测器读出系统的LVDS芯片,采用极低的电压摆幅实现高速差动传输数据,可以实现点对点或一点对多点的连接和传输。芯片包括驱动和接收两部分,均采用0.35um/3.3 V CMOS工艺设计,测试结果显示芯片基本达到预期研制目标。

新型体声波传感器读出电路的实验验证

为了实验验证此前通过仿真验证的基于六端口反射计的新型BAW传感器读出电路的方案的可行性,本文制作了新型BAW传感器读出电路并对其进行了测试。以串联谐振频率约为1.5 GHz的薄膜体声波谐振器(FBAR)为待测器件(DUT),设计、制作了一种能够满足该FBAR谐振频率测量带宽(1.3 GHz^1.7 GHz)要求的PCB上微带六端口网络和检波器,配合射频信号发生器和示波器,获得了模拟DUT(50ΩSMA匹配负载)的反射系数-频率(Γ-f)曲线测量结果。与矢量网络分析仪(VNA)的测量结果进行了对比,两者吻合较好,实验验证了"基于六端口反射计的BAW传感器读出电路"可用于FBAR谐振频率的测量。本文工作对实用化BAW传感器的研制和片上矢量网络分析仪(VNA-on-Chip)的设计都有借鉴意义。

BESⅢ DAQ系统中智能监测的研究

介绍了BESIII数据获取系统中智能监测系统的研究与实现。该系统能够对BESIII数据获取系统的事例率以及直方图参数进行实时分析,自动诊断错误,并通过可视化的方式报告值班人员。该系统由4个子系统组成,包括系统配置、数据收集、数据分析和结果展示。该系统可灵活配置,支持功能扩展,具有良好的可移植性与稳定性。

高增益型气体电子倍增微网结构探测器的性能研究

随着微结构气体探测器的不断发展,不同的探测需求相继提出.为了实现气体探测器在高增益和低打火率的条件下长时间稳定工作,结合气体电子倍增器(GEM)与微网结构气体探测器(MicroMegas)的探测优势,成功研制出一种基于GEM作为预放大的MicroMegas探测器,详细介绍了探测器结构和工作原理,并利用55Fe放射源对探测器增益、打火率、能量分辨和工作稳定性等性能进行了实验测量.分析结果显示GEM-MicroMegas探测器可以连续工作30h以上,探测器增益可以超过106,相对于无GEM膜的MicroMegas探测器,相同增益下打火率可以降低近100倍.

体声波双工器的优化设计方法

体声波(BAW)双工器中Rx滤波器对Tx滤波器的负载效应,会使Tx滤波器的插入损耗性能退化而带外抑制性能过剩,进而使得BAW双工器性能不佳。为了解决这一问题,提出了一种BAW双工器的优化设计方法。设置BAW双工器中Tx滤波器的串联薄膜体声波谐振器(FBAR)单元谐振区面积,及并联FBAR单元与串联FBAR单元谐振区面积比值为两组优化变量,通过牺牲Tx滤波器过剩带外抑制性能的方式,采用基于梯度的优化算法计算得到了两组优化变量的最终取值。以一个工作在FDD-LTE band 7的BAW双工器优化设计案例展示了该方法的应用流程。优化设计结果的仿真验证表明,Tx滤波器的插入损耗性能从2dB提升至1.1dB,带内波动性能从1dB提升至0.3dB。由此验证了该方法的可行性。

体声波滤波器的设计与微加工方法

提出了一种易于使用的薄膜体声波(FBAR)滤波器的4步设计方法,以一种FDD-LTE Band7的Rx滤波器为例展示了该方法的应用流程。第一步,根据FBAR滤波器的中心频率和带宽指标,确定FBAR薄膜叠层中各层薄膜的厚度。第二步,得到滤波器的电路结构。第三步,得到每个FBAR单元的谐振区面积;为此,将串联FBAR单元的谐振区面积、并联FBAR单元与串联FBAR单元的谐振区面积比值作为两组优化参数;将给定滤波器的插入损耗和带外抑制指标作为优化目标,利用ADS软件中的梯度优化算法,得到其优化值。第四步,旨在使滤波器的带内纹波最小化。设计中采用一种新的FBAR电极厚度调整方法,故意使串联FBAR的串联谐振频率与并联FBAR的并联谐振频率频率值不等,但相差很小,实现了该目标。由于案例设计结果中,SiO2支撑层的厚度仅300nm,需要在背面通孔刻蚀的微加工工艺中工序保留良好,因此,提出了一种基于绝缘衬底上的Si(SOI)圆片中埋氧层(BOX)缓冲的两步通孔刻蚀工艺方案,该方法利用了BOX的刻蚀自停止特性。研究结果表明,Rx滤波器插入损耗为0.6dB,在Tx频段的带外抑制为40.4dB,带内纹波为0.4dB。由此验证了该设计方法的可行性。

固态热机械密码鉴别器的安全性增强方法

针对固态热机械密码鉴别器(Solid State Thermal Mechanical Discriminator,SSTMD)在异常环境下安全性失效的问题,提出了其安全性增强的方法。该方法通过分析SSTMD中陷阱热机械开关(Thermo-Mechanical Switch,TMS)的工作原理,从实现其固有热弱链功能的角度,对SSTMD提出两条设计准则,加强了固有热弱链的作用,从而降低SSTMD在异常高温环境下的误解锁概率。通过分析SSTMD中路径TMS的工作原理,从实现SSTMD冲击弱链功能的角度,提出了在路径TMS绝热膜片背部刻蚀环形凹槽的方案,增强了SSTMD在异常冲击/振动环境下的安全性。并对SSTMD的安全性进行了分析,分析结果表明,不增加新的元件即可集成热弱链与冲击弱链的SSTMD设计,显著增强了其在异常环境下的安全性,更加适合对异常环境下的安全性也有严苛要求的要害系统应用。

两种远距离时钟传输方式的性能比较

主要比较了在KM2A电子探测器原型样机读出电子学前期预研阶段中的两种远距离时钟传输方式的性能,介绍了基于Rocket IO高速串行数据收发模块和DS92LV16芯片的串并转换原理。分别测试了两种时钟传输方式的发送时钟和恢复时钟的相位关系,并对测试结果进行了比较。

CSNS加速器中央控制室计算机状态监视系统构建

为保证CSNS加速器中央控制室计算机稳定、可靠地运行,构建了基于EPICS的CSNS加速器中央控制室计算机状态监视系统。该系统主要由CA客户端程序、EPICS 1OC和EPICS OPI三部分组成,实现了对CSNS加速器中央控制室计算机运行状态的远程监视。测试结果表明,该系统具有兼容性强、稳定可靠性高、人机交互友好的特点,很好地满足了长期运行的需要。

LHAASO原型系统数据获取软件

介绍了一个基于VME/PowerPC控制器和嵌入式Linux操作系统的小型读出软件,包括运行于PowerPC控制器上的前端软件、运行于PC上的后端软件以及在线直方图软件3部分,实现了VME插件的数据读出、存储以及在线直方图等基本功能。在设计中,利用模块动态加载和XML描述数据格式等技术,独立于具体电子学、数据格式相关的模块,使该软件可以方便地移植到其它类似数据获取系统中。该软件已应用于大型高海拔空气簇射观测站(LHAASO)宇宙线实验的部分原型系统。

位敏型探测器数字法读出研究(英文)

中国散裂中子源(CSNS)的建造对中子探测器提出了非常高的要求,如更大的有效面积、二维位置灵敏、高计数率、高探测效率和低的γ灵敏度等。与传统的模拟读出方法相比,数字法读出具有更高的计数率,更小的数据传输量,更简单的电子学设计以及更高的信噪比。对数字法读出进行了理论计算,利用GEM探测器的原始数据分析了数字法读出的位置分辨率与读出条宽度的关系。结果表明,数字法读出对于位置分辨要求较低(小于4 mm)的大面积位置灵敏探测器是一种较好的选择,如CSNS小角谱仪探测器。

体声波梯形滤波器的布局设计方法

为保证滤波器性能,缩小滤波器体积,提高晶圆上的芯片数量,提出一种体声波(BAW)梯形滤波器布局的设计方法。该方法包括11条设计准则和设计流程。11条设计准则限制体声波谐振器(BAWR)的形状、位置,BAWR之间的距离,BAWR与焊盘的距离和互连线。设计流程有7个步骤:(1)根据每个BAWR的有效面积,预设每个BAWR的形状;(2)根据BAW梯形滤波器电路结构,排列BAWR;(3)"压缩"布局;(4)对BAWR切趾、微调和旋转;(5)对BAWR和焊盘布线;(6)检测滤波器布局是否符合设计准则;(7)使用声-电磁联合仿真,验证滤波器布局结果。以10个BAWR串并联而成的5阶BAW梯形滤波器为案例,展示了该方法的设计准则和设计流程。优化后的滤波器布局面积利用率达到了44%。对比未优化的滤波器布局,利用该方法优化后的滤波器布局提高了BAW滤波器的带内插损和带外抑制。

散裂中子源通用粉末衍射谱仪读出ASIC设计

介绍了一款针对散裂中子源通用粉末衍射谱仪的读出电子学系统[1]所设计的ASIC芯片MPR2。该芯片包含模拟和数字两个部分。模拟部分集成了64通道,是对针对MAPMT设计的芯片MAPMTROC[2]的升级。每个通道包含基于电流传输器的前置放大器、RC积分电路、CR-RC积分成形电路以及比较器等部分,分别实现增益调节、积分、积分成形和甄别输出等功能。数字部分将模拟输出的甄别结果进行并串转化后输出。要求芯片能够有效地甄别中子和γ信号,并给出中子信号的时间和位置信息。

镀膜型^(n)MCP探测效率和位置分辨优化的蒙特卡罗模拟研究

中子敏感微通道板(Neutron sensitive microchannel plate,^(n)MCP)因其具有高探测效率和位置分辨,配合先进的读出电子学可作为能量分辨中子成像探测器的优先选择。相比于基体掺杂型的^(n)MCP,基于原子层沉积技术(Atomic Layer Deposition,ALD)的^(n)MCP具有原材料消耗少、通道内壁具有高的二次电子发射系数等优势。首先,通过实验对掺杂natGd型^(n)MCP的典型中子和伽马信号进行研究。然后,采用Geant4模拟和理论计算对镀膜10B_(2)O_(3)型^(n)MCP的孔径、壁厚、倾角和镀膜厚度进行优化。计算结果表明,当^(n)MCP的几何参数选择为镀膜厚度1μm、孔径10μm、壁厚1μm以及倾角3°时,^(n)MCP性能达到约56%的热中子探测效率和约22μm的位置分辨。计算结果对CSNS能量选择中子成像探测器^(n)MCP的几何参数设计具有重要意义。