多组位置灵敏探测器单元Micromegas的电子学系统设计

多组位置灵敏探测器单元Micromegas的电子学系统设计

本文基于多组位置灵敏探测器单元Micromegas的研制，自主设计了一套多路前端电子学系统。设计旨在匹配Micromegas探测器快的时间响应、良好的位置分辨、较高的增益及能量分辨率以及良好的工作稳定性等特性，并减少系统装置总的数量，提高设备集成度。本文在设计上具有用延迟线读出法有效降低电子学的路数、采用三级电压放大电路等特点。用55Fe源作为测试源，本文设计的电子学电路，完全可以满足对前端电荷灵敏放大芯片输出的波形进行模数转换的要求；所输出的信号亦满足后续数据采集系统的需求。

关键词：Micromegas 探测器，电子学系统，模数转换

第一章绪论

早期的气体探测器有电离室、正比计数器、盖革-弥勒（G-M）计数器等，它们均以气体作为介质。入射带电粒子通过气体时，由于与气体分子的电离碰撞而逐次损失能量，最后被阻止下来。碰撞的结果使气体分子电离或激发，并在粒子通过的径迹上产生大量的离子对，通过收集离子对实现对入射粒子的探测。气体探测器作为最早用于测量电离辐射的一类探测器,在核物理和高能物理实验中起了重要作用。虽然基于该种类型的气体探测器经历了约半个多世纪的发展和改进,但直到1968 年Charpak 等发明多丝正比室(MWPC) 后，气体探测器的发展才进入了位置灵敏时代. 在20 世纪80 年代后期，伴随着微电子技术的发展，开始出现了一类新型的微模式气体探测器(MPGD) [1-2]，如微条气体室、微隙室、微点雪崩室、Micromegas (micro2mesh gaseous structure)探测器[3-4]等。这些探测器各有所长，虽然它们在结构上存在一定的差异，但基本的工作原理都是一样的。在MPGD 研究中，Micromegas由于具有优异的性能而备受关注，并取得了一定得研究进展[5-7]。

基于Micromegas探测器的良好位置分辨性能，我们实验室自主研制了一套改进的位置灵敏Micromegas探测器单元。我们实验室研制的Micromegas探- 1 -

测器由漂移电极、mesh 电极以及PCB 板组成。漂移电极与mesh 电极接负高压，PCB 板接零电位。漂移极与mesh 电极之间形成漂移区，间距在3mm ～6mm 内调整，mesh 电极与PCB 板之间产生雪崩区，间距在100μm ～200μm 内调整。漂移区的电场为1KV/cm ，当X 射线或带电粒子进入漂移区后，会在漂移区内产生原初电离。电子在漂移电场的作用下向mesh 电极丝网漂移，穿过丝网的电子进入雪崩区。由于mesh 丝网电极和阳极板的间距非常小，较小的电压差就会在雪崩区产生较高的电场，场强可达100KV/cm 或更高，电子在雪崩区产生雪崩。在雪崩区，电子倍增后会在场强的作用线沿着电场线的方向向PCB 板做漂移运动。电子在漂移的过程中，在PCB 收集板上产生感应电荷，通过对感应信号收集分析，可以得到入射粒子的能量、位置等物理信息。Micromegas 探测器具有快的时间响应，很好的位置分辨，较高的增益及能量分辨率以及良好的工作稳定性。工作气体由CO 2、Ar 、CF 4和异丁烷按不同配比或某些气体单独组合而成。实验

过程中通过调整配气系统和压力控制系统的参数来实现对不同气体配比和压强的控制。

系统共分为位置灵敏径迹探测器测量、多路前端电子学系统、多参数数据获取系统、计算机图像重建系统四部分。

图1. 系统总体结构图

图1.1 Micromegas 气体探测器结构图

位置灵敏径迹探测器测量

多路前端电

子学系统 计算机图像重建系统 多参数数据获取系统

为了匹配Micromegas探测器，本文自主研制了一套电子学系统用于采集和输出探测器探测到的信号。电子学系统主要由延迟线电路部分、线性放大器部分和前沿定时甄别部分组成。

考虑到大规模Pad读出的要求，用延迟线读出法可以有效降低电子学的路数。延迟线的读出方法是将射线在Pad上产生的位置信号转化为时间信息输出，测量到达延迟线两端的脉冲的时间差，可确定信号的位置。我们采用的延迟线电路的信号是1520A-500-507，延迟线电路的匹配阻抗是50Ω，输出的电压信号。1520A-500-507的使用帮助提高了电子学系统的集成度，并且该芯片具有较好的性能，从而进一步帮助我们来建立具有较好性能的电子学系统。

根据延迟线电路部分输出信号的特点及延迟线的匹配阻抗，本文采用了AD8065高速低噪声运算放大器，自主设计了3级放大器电路。AD8065是电压反馈型放大器，频带宽度为145MHz，工作噪声极低7.0nV/Hz，输入阻抗非常高，具有5V—24V宽电源电压范围，可采用单电源供电，本文采用的SOIC-8封装，±12V供电电压。

前沿定时甄别部分包括比较器电路跟单稳态成型电路。比较器电路是对两个模拟电压比较其大小，并判断出其中哪一个电压高，哪一个点低。当同向输入端电压大于反向输入端的电压的时候，输出高电平。当同向输入端电压低于反向输入端的电压的时候，输出低电平。本文设计比较器电路采用的是LM710比较芯片。本文采用74LS123芯片作为双路可重触发单稳态触发器，其响应时间40ns，正电压+14V，负电压-7V，负向端引入了可变参考电压，通过滑动变阻器调节负向输入端的电压，对于前一级放大器的输出信号进行比较。

- 3 -

第二章基本器件介绍

2.1 AD8065放大器

AD8065 FastFET放大器为电压反馈型放大器，提供FET输入，性能出色、易于使用。AD8065是单路放大器，这种放大器采用ADI公司的专有XFCB工艺制造，工作噪声极低(7.0 nV/Hz和0.6fA/Hz)，输入阻抗非常高。

AD8065具有5 V至24 V的宽电源电压范围，可采用单电源供电，带宽为145 MHz，。此外，这种放大器还具有轨到轨输出，使其功能更加多样化。尽管成本很低，但这些器件仍能提供出色的整体性能。这种放大器的差分增益和相位误差分别为0.02%和0.02°，0.1 dB平坦度为7 MHz，堪称Micromegas探测器应用的理想之选。此外，这些器件具有180 V/-s高压摆率、出色的失真性能(1 MHz时无杂散动态范围(SFDR)为−88 dBc)、极高的共模抑制(−100 dB)和低输入失调电压(1.5mV，预热条件下最大值)。 AD8065仅采用每个放大器6.4 mA 的典型电源电流，能够驱动高达30 mA的负载电流。AD8065均为高性能、高速、FET输入放大器，提供SOIC-8、MSOP-8和SOT-23-5小型封装，额定温度范围为−40°C至+85°C工业温度范围。