多组位置灵敏探测器单元Micromegas的电子学系统设计
基于气体电子倍增器的位置灵敏快中子探测器优化设计
第44卷第2期2021年2月核技术NUCLEAR TECHNIQUESV ol.44，No.2February2021基于气体电子倍增器的位置灵敏快中子探测器优化设计魏阳东1,2,3周健荣2,3周晓娟2,3朱林2,3周建晋2,3,4许虹2,3杨桂安2,3王小胡1孙志嘉2,3陈元柏2,31（西南科技大学核废物与环境安全国防重点学科实验室绵阳621900）2（散裂中子源科学中心东莞523803）3（中国科学院高能物理研究所核探测与核电子学国家重点实验室北京100049）4（兰州大学核科学与技术学院兰州730000）摘要采用聚乙烯转换层的气体电子倍增器（Gas Electron Multiplier，GEM）探测器具有快中子探测、较高时间分辨及位置分辨等性能，能很好地满足中国散裂中子源（Chinese Spallation Neutron Source，CSNS）大气中子谱仪束流监测的需求。
采用蒙特卡罗仿真软件Geant4（GEometry ANd Tracking，version4）对探测器的物理过程进行模拟，研究7MeV、10MeV、14MeV三种不同能量中子的探测效率与聚乙烯转换层厚度的关系；并研究不同厚度阻止层对反冲质子出射能量、角度以及探测器探测效率的影响。
此外模拟计算了反冲质子在不同厚度气体中的能量沉积以及探测器的γ射线灵敏度。
最后根据模拟参数制作探测器样机并进行了初步的中子束流实验。
实验结果表明：探测器采用2mm聚乙烯转换层、200µm铝阻止层以及4mm工作气体时，探测器具有良好的二维成像能力，位置分辨率可达2.9mm。
关键词GEM，快中子，位置分辨，束流监测中图分类号TL99DOI:10.11889/j.0253-3219.2021.hjs.44.020402Optimal design of the position sensitive fast neutron detector based on GEMWEI Yangdong1,2,3ZHOU Jianrong2,3ZHOU Xiaojuan2,3ZHU Lin2,3ZHOU Jianjin2,3,4XU Hong2,3 YANG Guian2,3WANG Xiaohu1SUN Zhijia2,3CHEN Yuanbo2,31(Fundamental Science on Nuclear Waste and Environmental Security Laboratory,Southwest University of Science and Technology,Mianyang621900,China)2(Spallation Neutron Source Science Center,Dongguan523803,China)3(State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics,Institute of High Energy Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing100049,China) 4(School of Nuclear Science and Technology,Lanzhou University,Lanzhou730000,China)国家重点研发计划(No.2017YFA0403702)、国家自然科学基金(No.U1832119、No.11635012、No.11775243)、中国科学院青年创新促进会、核废物与环境安全国防重点学科实验室开放基金(No.16kfhk05)、广东省基础与应用基础研究基金(No.2019A1515110217)资助第一作者：魏阳东，男，1995年出生，2018年毕业于西南科技大学，现为硕士研究生，研究领域核辐射与粒子探测技术魏阳东、周健荣为本文共同第一作者通信作者：王小胡，E-mail：；孙志嘉，E-mail：收稿日期：2020-09-19，修回日期：2020-12-09Supported by National Key R&D Program of China(No.2017YFA0403702),National Natural Science Foundation of China(No.U1832119,No.11635012,No.11775243),Youth Innovation Promotion Association CAS,Open Foundation of Fundamental Science on Nuclear Waste and Environmental Security Laboratory(No.16kfhk05),Guangdong Basic and Applied Basic Research Foundation(No.2019A1515110217)First author:WEI Yangdong,male,born in1995,graduated from Southwest University of Science and Technology in2018,master student,focusing on nuclear radiation and particle detection technologyWEI Yangdong and ZHOU Jianrong contributed equally to this workCorresponding author:WANG Xiaohu,E-mail:SUN Zhijia,E-mail:Received date:2020-09-19,revised date:2020-12-09核技术2021,44:020402Abstract[Background]The GEM(gas electron multiplier)detector with polyethylene conversion layer has the performance of fast neutron detection,high timporal resolution and spatial resolution.It is an ideal choice for fast neutron beam monitor for China spallation neutron source(CSNS).[Purpose]This study aims to optimize the design of the GEM detector with polyethylene to meet its application requirements of the atmospheric neutron spectrometer of CSNS.[Methods]First of all,the physical process of the detector was simulated by Monte Carlo simulation software Geant4(GEometry ANd Tracking,version4).The relationship between neutron detection efficiency of three different energies(7MeV,10MeV and14MeV)and the thickness of polyethylene conversion layer was studied by simulation,and the influences of different thickness of barrier layer on energy and angle of recoil proton along with detection efficiency were investigated.Then,the energy deposition of recoil protons in gas with different thickness was calculated,and theγ-ray sensitivity of the detector was studied by simulation.Finally,the prototype detector was fabricated using simulated parameters,and a preliminary neutron beam experiment was carried out.[Results]The results show that the detection has good two-dimensional imaging ability when the detector adopts2mm thick polyethylene,200µm thick aluminium barrier layer and4mm thick working gas.The spatial resolution of this detector can reach2.9mm.[Conclusions]This GEM based neutron detector meets the requirements of CSNS beam monitoring,which provides a reference for the optimal design of fast neutron beam monitor.Key words GEM,Fast neutron,Spatial resolution,Beam monitoring地球空间中广泛分布着各种能量的大气中子，在海平面或者飞机上运行的电子设备长期暴露在大气中子的辐照下可能会由于单粒子效应造成器件数据出错、功能失效甚至烧毁［1］。
Micromegas 探测器的电子透过率与增益
Micromegas 探测器的电子透过率与增益
郭军军;管亮;唐浩辉;汪晓莲;许咨宗
【期刊名称】《中国科学技术大学学报》
【年(卷),期】2010(040)006
【摘要】介绍了以鱼线作为放大区(雪崩区)支撑柱的Micromegas探测器,探测器灵敏面积为45 mm×45 mm.给出了该探测器的增益均匀性、电子透过率以及不同气体成分下的增益曲线,并与三维蒙特卡罗模拟结果进行比较.分析讨论了Micromegas工作机理和增益增加的原因等.
【总页数】5页(P599-603)
【作者】郭军军;管亮;唐浩辉;汪晓莲;许咨宗
【作者单位】中国科学技术大学近代物理系,安徽合肥,230026;中国科学技术大学近代物理系,安徽合肥,230026;中国科学技术大学近代物理系,安徽合肥,230026;中国科学技术大学近代物理系,安徽合肥,230026;中国科学技术大学近代物理系,安徽合肥,230026
【正文语种】中文
【中图分类】O572.21+2
【相关文献】
1.厚样品电子断层成像中的电子透过率非线性效应 [J], 曹猛;李瀛台;张海波;王芳
2.金薄膜UV透过特性对MCP电子增益测量影响的研究 [J], 李野;但唐仁;高延军;程轶;姜得龙;田景全
3.哈特曼波前探测器电子倍增增益的自适应控制方法 [J], 李大禹;朱召义;王少鑫;宣丽
4.增强短波红外InGaAs探测器透过率的纳米光天线研究 [J], 姚鹏飞;李淘;李雪;邵秀梅;龚海梅
5.基于3D Si PIN阵列热中子探测器的变增益宽动态前端读出电子学设计 [J], 韩宁;陈伟;李龙;刘新赞;刘书焕;马勇;熊艳丽;李炳均;张国和;Carlo Ettore Fiorini
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Micromegas探测器的研制、测试和计算机模拟的开题报告
Micromegas探测器的研制、测试和计算机模拟的开题报告1. 研制背景与意义随着粒子物理学的快速发展，粒子探测器的性能要求也不断提高。
Micromegas （Micro Mesh Gaseous Structure）探测器是一种新型的气体探测器，具有高精度、高灵敏度、大探测器面积等特点，广泛应用于高能物理实验和核物理等领域，具有重要的研究意义和实用价值。
本项目旨在研制Micromegas探测器，并进行相关测试和计算机模拟。
2. 研究内容2.1 探测器设计根据实验需求，设计适合的Micromegas探测器，包括探测器结构、材料、放大器等。
优化设计，提高探测器的精度和灵敏度。
2.2 制备与测试使用先进的微细制造技术制备探测器。
进行探测器性能测试，包括电荷分辨率、能量分辨率、探测效率等指标。
2.3 计算机模拟使用相关软件进行Micromegas探测器的数值模拟，验证实验结果，分析探测器性能，对实验数据进行解释。
3. 研究方法和实验流程3.1 设计基于物理模型和实验需求，使用CAD（计算机辅助设计）软件进行设计，确定探测器结构、材料、放大器等参数。
3.2 制备与测试使用微细制造技术制备探测器，进行探测器性能测试，包括电荷分辨率、能量分辨率、探测效率等指标的测试。
3.3 计算机模拟使用Monte Carlo方法结合GEANT4软件进行数值模拟，模拟Micromegas探测器的工作原理及性能。
分析模拟结果并与实验数据进行对比。
4. 预期成果预计实现Micromegas探测器的设计、制备与测试，并进行计算机模拟验证，得到探测器的性能指标和工作原理等重要内容。
对研究Micromegas探测器和类似探测器的物理、工程、技术等领域有一定的推动作用。
5. 研究意义和价值Micromegas探测器具有精度高、灵敏度好、探测效率高等优点，广泛应用于核物理、高能物理等领域。
本项目的研究可以为Micromegas探测器的设计、制备与测试提供一定的理论支持，为相关领域的研究提供可靠的实验手段，具有一定的科学研究和实用价值。
二维灵敏3He中子探测器的研制
读出电子学
阳极：所有阳极丝连在一起。需要进行电荷测 量以进行n-γ鉴别；同时为读出条信号测量提 供触发。
读出信号：每个读出条单独读出，测量电荷信 息，共100路。
正在研制一套基于VME机箱的数据获取系统， 包括：适应阴极信号的电荷灵敏前置放大器、 主放大器、ADC等等。
多丝室模型的X射线测试
建造了一个常压下的二维多丝正比室模型，灵敏面积200mm × 200mm。模型采用Ar/CO2(90/10)作为工作气体；为了便 于进行X射线测试，采用50 µm 厚的Mylar膜作为入射窗。
用55Fe 5.9keV X射线对模型进行了性能测试，具体包括X射线 能谱、增益、位置分辨、线性等。
二维灵敏3He中子探测器的研制
探测效率
3He的密度和厚度直接决 定了系统对中子的探测效 率。由右图，对1.5cm厚 的探测器，如果要对波长 大于1Å的热中子有高于 50%的效率， 3He的气压 应该大于6atm。
位置测量：
目前主要采用多丝正比室来进 行位置测量。
质子和氚核使工作气体发生电 离，产生大量初始电子－离子 对，电离电子在电场作用下漂 向阳极产生雪崩信号。雪崩信 号产生的正离子向阴极运动过 程中会在读出丝上感应出正电 荷，通过测量读出丝上感应电 荷分布的重心就可以确定雪崩 发生位置。
下图为基于增益
用电荷灵敏前放、主放、多道 分析器系统测量了55Fe X射线 能谱及增益。右上图为阳极高 压1800V时的能谱；右下图为 增益与阳极丝高压的关系。
探测器对55Fe 5.9keV X射线的 能量分辨率约为23%；当阳极 丝高压在1700V~2000V范围内 时探测器具有很好的正比性。
为了提高室体内气体的纯度，保 证探测器能长时间稳定工作，探 测器设有一套循环净化系统。
小单元多丝漂移室探测器系统研制
小单元多丝漂移室探测器系统研制黄鑫杰;尹小豪;何周波;马朋;胡荣江;邹海川;邱天力;何志轩;秦智;秦雨浩;魏向伦;杨贺润;鲁辰桂;李蒙;杨远胜;李志杰;段利敏【期刊名称】《原子能科学技术》【年(卷),期】2024(58)1【摘要】为精确测量CSR外靶终端靶前入射粒子的径迹,研制了多套小单元多丝漂移室探测器,该探测器灵敏面积为80 mm×80 mm,每套探测器包括x、x′、y、y′4个探测电极面,每个电极面引出16个阳极丝信号。
前端电子学采用基于SFE16芯片的放大器,数据读出系统采用基于HPTDC芯片的数据采集卡。
采用两套小单元多丝漂移室对400 MeV/u的16O束流位置进行了测试,探测器的工作气体为Ar(80%)+CO2(20%),阳极丝电压为+900 V,场丝与阴极丝均接地,拟合得到的单层电极的位置分辨(拟合残差)为105.9μm,探测效率为99.3%,该指标可以满足现阶段CSR外靶终端大部分核物理实验对反应靶点的定位要求。
【总页数】7页(P218-224)【作者】黄鑫杰;尹小豪;何周波;马朋;胡荣江;邹海川;邱天力;何志轩;秦智;秦雨浩;魏向伦;杨贺润;鲁辰桂;李蒙;杨远胜;李志杰;段利敏【作者单位】中国科学院近代物理研究所;中国科学院大学核科学与技术学院;兰州大学核科学与技术学院;清华大学物理系【正文语种】中文【中图分类】TL811【相关文献】1.小单元漂移室模拟老化实验中老化率与放射源强度的相关2.低质量氦基混合气及其在小单元漂移室中应用的模拟研究3.BESⅢ小单元漂移室模型实验数据获取系统4.使用氦基工作气体的小单元漂移室性能的研究5.小单元型漂移室性能模拟计算因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
方案二阻性MicroMegas探测器结构-Indico-中国科学院高能物理
阻性MicroMegas探测器
工作原理
整个探测器的信号包括两部分：
（1）电荷在雪崩间隙产生的感应信号，对于这部分 信号，微网和读出阳极的输出信号大小相等，极性 相反；
• 这样容易损坏探测器和前端电子学，由 于高压的下降会带来很大的死时间.
• 打火引起死时间过大，致使计数率降低.
• 微网监测打火电流超过500nA. 以上存在的不足，通过两种不同的 方案，解决部分问题，并提高探测 器性能指标。
2019/6/9 /20
2.采取方案
• 方案一：添加预放大器。 在微网上方1-2mm处，加一层GEM作为预放大 在相同增益下，降低MicroMegas的工作电压和倍增压力 降低打火率 “GEM+MM”相对于标准Micromegas提高增益 结合GEM探测器的结构优势 提高探测器的工作稳定性
•优秀的空间位置分辨
•耐辐照 •高计数率能力
漂移区
•良好的时间分辨
编织网
雪崩区
•结构简单，易于大面积制作
•造价相对低廉
标准MicroMegas探测器结构示意图
2019/6/9 3 /20
研究目的（续）
标准工艺MicroMegas探测器，主要 存在的不足：
• 由于雪崩区很窄，在高增益下或高计数 率下，很容易引起局部电荷密度过大,发 生流光放电.
GEM-MM探测器：120ns~200ns
标准探测器：100ns~160ns
2019/6/9 14 /20
打火率测量
根据GEM-MM增益为15000时，信号电荷量为0.57pC,定义电 荷量超过2pC（约四倍关系）为打火事例，打火率根据以下 公式求得：
打火率=
《2024年基于虚拟仪器的纳米器件电学性能测量系统的实现》范文
《基于虚拟仪器的纳米器件电学性能测量系统的实现》篇一一、引言随着纳米科技的飞速发展，纳米器件在诸多领域如电子、生物医学和能源等领域展现出其独特的应用前景。
对于纳米器件的电学性能的准确测量显得尤为重要。
因此，为了更高效地满足市场需求并提高测量的精度与效率，基于虚拟仪器的纳米器件电学性能测量系统的实现显得尤为关键。
本文将详细介绍该系统的设计思路、实现过程及其实验结果。
二、系统设计思路1. 系统架构：本系统采用虚拟仪器技术，通过软件定义硬件的方式，实现对纳米器件电学性能的测量。
系统主要由硬件部分和软件部分组成，其中硬件部分包括数据采集卡、信号源等，软件部分则包括虚拟仪器软件、数据分析软件等。
2. 虚拟仪器技术：虚拟仪器技术通过软件编程实现对传统仪器的替代，通过数据采集卡与计算机的连接，实现对信号的采集、处理、分析和显示。
该技术具有高度的灵活性和可扩展性，可满足不同类型纳米器件的测量需求。
三、系统实现过程1. 硬件设计：选择合适的数据采集卡和信号源等硬件设备，并确保其与计算机的连接稳定可靠。
此外，还需对硬件设备进行校准，以保证测量结果的准确性。
2. 软件设计：开发虚拟仪器软件和数据分析软件。
虚拟仪器软件负责实现对信号的采集、处理和显示；数据分析软件则负责对测量数据进行处理和分析，并生成报告。
在软件开发过程中，需遵循模块化设计原则，以提高系统的可维护性和可扩展性。
3. 系统集成与调试：将硬件和软件进行集成，并进行系统调试。
在调试过程中，需对系统的各项性能指标进行测试，如测量精度、响应速度等，以确保系统能够满足实际需求。
四、实验结果与分析1. 实验结果：通过实际测量不同类型纳米器件的电学性能，验证了本系统的有效性和准确性。
实验结果表明，本系统具有较高的测量精度和良好的响应速度。
2. 结果分析：通过对实验数据的分析，可以得出以下结论：本系统能够实现纳米器件电学性能的快速准确测量；系统具有较高的可扩展性和灵活性，可满足不同类型纳米器件的测量需求；同时，虚拟仪器技术的应用使得系统的开发成本降低，提高了系统的性价比。
用于MICROMEGAS的电荷灵敏前放芯片研究
成形 滤波 级 以及全 差 分输 出级 。 芯 片单通 道 电路结 构如 图 ２所 示 。
分 的输 出结 构 ， 产生差分 的准 高斯 信号 。
２ ４ 电荷灵敏 前 放输入 管 的匹配 ．
电荷灵 敏前 放 的噪声性 能对 系统精 度 的影
响非 常关键 ， 电路设计 中 ， 在 要尽 量降低 由前 置
２ １ 总体 结 构 ．
Ｍ Ｃ Ａ芯片包 含 ４个通道 ， ＭＳ 单个通道 包
含： 电荷灵 敏 前放级 ， 荷增 益 级 ， Ｒ一（ Ｃ） 电 Ｃ Ｒ
图 ４ 电荷 增 益级
为 了降 低 系 统 噪 声 ， 形 电 路 采 用 ４阶 成
（ａ ｃ ）一（ Ｃ 网络成形 滤波 ， 出级采用 全 差 Ｒ ） 输
计数率 、 高位置 分辨 的 Ｍ Ｃ Ｏ Ｅ Ａ ＩＲ Ｍ Ｇ Ｓ等新 型 微结构气体探测器的需求更加迫切。
收 稿 日期 ：０ ２— ２～ ８ ２ １ ０ ２
作者简介 ： 王娜 （９ ２一） 女 ， １８ ， 吉林省 公主岭市人 ， 助 理 研究员 ， 士研究生 ， 博 研究 方向 ： 电子学。 核
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 ＭＭ Ｓ Ｃ Ａ的设 计。Ｍ Ｓ ＭＣ Ａ芯 片采用 Ｃ ａｔ ｅ ．５ ｈ ｒ ｒｄ０ ３ ｅ
声 为小于 １００ｅ 。 ０ 一
工艺制作 ， 测得 的输 入 电荷范 围为 ２—３０ｆ ， ５ Ｃ 噪
（ Ｅ 的研制 ［ ］ 兰州 ： Ｇ Ｍ） Ｄ． 兰州大学 ，０９ ２０ ．
ｓｎ ｔｅａ ｐｆ ｒ ｉ ｓ ｌ Ｍ Ｓ Ｊ ． ｕ１Ｉ ｔ ｅｓ ｖ ｍ ｌ ｅ ｅ ｅ Ｃ Ｏ ［ ］Ｎ ｃ ｎ ｒ ｉ ｉ ｓｎ ａ ｄ ｉ ｉ ． ｓ．
Micromegas探测器
本科毕业设计论文题目专业名称学生姓名指导教师毕业时间摘要Micromegas探测器 (MieroMeshGaseousStructure)是上世纪九十年代中期由法国saclay 小组研制的一种平行板结构气体探测器。
该探测器采用微网(Micromesh，协m量级厚度)把灵敏区域分成不对称的两区:漂移区(driftg即s或 eonversionspaee，3一10mm)和放大区(amplifieationgaps，100林m量级)。
工作时漂移区内的电子穿过微网到达放大区发生雪崩，并通过相应的电极进行信号收集。
Micromegas探测器具有高计数率、高增益、良好的时间分辨和位置分辨、优良的抗辐照性能等一系列优点。
另外，Micromegas探测器采用成熟的微电子技术和精细加工工艺，使其具有成本低廉、大灵敏面积而且读出方便等优点。
这些优点使Mieromegas探测器便于与不同转换体连用以达到不同探测目的。
针对Mieromegas 探测器的工作性能，本文从两方面进行详细的分析和研究:物理特性模拟和研制测试。
在模拟方面，用 AnsoftM~ell3D电场计算软件与Garfield程序包相结合，对Micromegas探测器的物理性能进行模拟研究。
主要包括以下几方面:利用AnsoftMaxwell模拟了三维电场分布情况;利用Garfield程序包不仅计算了Ar/CO:不同比例混合的气体条件下漂移速度，扩散系数等参数，还模拟了时间分辨、位置分辨等探测器的性能。
这些模拟结果可以帮助我们深入了解Mieromegas的工作原理，从而给实验提供了有益的参考。
关键词:Micromegas;X射线源;性能;模拟AbstraetInthebeginningofthe1990decade，MicromegasdetectorhadbeendeveloPed byY.GiomatarisandG.CharpakinSaelaygrouPofFreneh.ItbelonMPGD(MieroPattemGaseousD etectors).Mieromegasdeteetor15averyasmetritwarallelPlateavalaneheehamber.ftuses athinmctalgridtoseParatethedrift。
一个二维位置灵敏X射线探测器的研制
置分辨 （ ｍ） ｆ ｗｈ 好于 ０４ ｍ。 ．ｍ
关键词 ： Ｘ射线 探测器 ； 多丝正 比室 ； 重心法 中图分类号 ： ＴＬ １ ＋． ８６ １ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ： ０ ５－９ ４ ２ ０ ）２０ １ ～５ ２ ８０ ３ （ ０ ８ ０ －３ ３０
Ｘ射线 散 射 和衍射 技 术 被广 泛 用 于探 究微
作者简 介 ： 山 ， ， 江 男 兰州 人 ， 京大 学硕 士 ， 南 研究 方 向： 粒子物理与原 子核物理 。
电荷 的大小和分布宽度 ， 阳极平面到读 出平面
３】 ３
维普资讯
膜人射窗 ， 同时作 为上 阴极 ， 铝层厚度 １ ｍ。 ０ 为了保证平整度 ， 阴极平 面由表面覆铜的玻 下
一
个 二 维 位 置 灵敏 Ｘ射 线探 测 器 的研 制
江 山１ ， 小胡ｈ ， ，王 ２ 。朱启 明。 陈元柏 陈 昌 ， ， ， 刘 荣光 王 岚 金 艳 马骁妍 ， ， ，
（． １ 南京大 学物理 系 ， 南京 ２ ０ ９ ；． １０ ３２ 中国科学 院高能物理研究所 ， 北京
我们将 每 ６根读 出丝连在一起形成一个读 出
条 ， 时大 约 有 ３ ４个 读 出条 上有 读 数 ， 以 这 ～ 可
观物质结构 。在 北京 同步辐射装 置（ Ｓ Ｆ 上 ＢＲ ） 进行的 ｘ射线散射 和衍射 实验需要 一些高精
１ 结构设计
探 测器 结构 如 图 ｌ所示 。它 由位 于 中央 的 阳极 丝 平 面 、 个 读 出丝 平 面 和 两 个 阴极 平 面 两
度、 高探 测 效 率 的 位置 灵 敏 ｘ 射线 探 测 器 。 娜 上 的 Ｘ 射 线 能 量 范 围 为 ０ １～ ．０ ２ ｋ Ｖ¨。探 测器 需对 这 一 能 区 的 Ｘ 射线 具 有 ２ｅ ［
位置灵敏α探测器
位置灵敏α探测器
齐卉荃;方雄;梁伟
【期刊名称】《核电子学与探测技术》
【年(卷),期】1996(000)005
【摘要】本工作研制的位置灵敏α探测器由一个ＺｎＳ（Ａｇ）荧光屏，４根光纤束和４个光电倍增管组成，它是所研制的快中子飞行时间法检测隐藏爆炸物系统中的一个部件的简经试验模型，此位置灵敏α探测器的分辨率为１．５～１．７ｎｓ，位置分辨约３ｍｍ×３ｍｍ能耐４００℃的温度和长时期保持真空。
【总页数】1页(P326)
【作者】齐卉荃;方雄;梁伟
【作者单位】清华大学现代应用物理系;清华大学现代应用物理系
【正文语种】中文
【中图分类】TL816.2
【相关文献】
1.用于位置灵敏型中子探测器的6LiF/ZnS(Ag)闪烁体性能研究 [J], 唐军杰;王拓;张强;孙志嘉;吴冲
2.基于塑料闪烁光纤阵列的γ射线位置灵敏探测器数值模拟 [J], 马庆力;唐世彪;吴彦华
3.THGEM位置灵敏探测器读出系统 [J], 赵亚飞;华仁军;冀伟田;陈子瑜;沈激
4.使用曲面微通道板和感应电荷位置灵敏阳极的软 X 射线-极紫外光子计数成像探测器研究 [J], 尼启良
5.低能量沉积下位置灵敏硅探测器位置畸变的修正 [J], 卢朝晖;吴和宇;诸永泰;张保国;李祖玉;魏志勇;段利敏;王宏伟;肖志刚;胡荣江;靳根明;王素芳;陈陶;李湘庆;李智焕;柳永英;朱海东;陈克良
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PICOSECMicromegas探测器的研究进展课件
18
Backup
王旭
第九届先进气体探测器研讨会
19
西光所的QE测试
透射式光阴极量子效率测试原理图
西安光机所 真空紫外测试系统
紫外光
紫外光
光阴极
E
MCP探测器/铜
电极
1st
•
•
•
•
入射光强度：标定的PD
光电子测量：MCP探测器，计数测量
方便易得，便于快速测量；光电子放大测量
局限：没有分光，有很好的耐用性，100mC/cm2的离子轰击，没有
观察到性能的下降
• 搭建真空紫外的量子效率测试系统
• PICOSEC MM探测器
• 进行大面积探测器的研究：流气式、密闭式，大面积光阴极，气隙均匀性，
真空封装等
王旭
第九届先进气体探测器研讨会
17
PICOSEC Collaboration
methods, J. Va’vra, NIMA 876 (2017)
185-193.
2
研究介绍
时间分辨：24 ps @150GeV muon
PICOSEC Micromegas探测器
探测器原理示意图
深入研究方向
“PICOSEC: Charged particle timing at sub-25 picosecond precision with a Micromegas
•
USTC (China):J. Liu, B. Qi, X. Wang, Z. Zhang, Y. Zhou.
•
AUTH (Greece): K. Kordas, I. Maniatis, I. Manthos, V. Niaouris, K. Paraschou, D. Sampsonidis, S.E. Tzamarias.
一种用于MicroMegas探测器的电荷灵敏前置放大器设计的开题报告
一种用于MicroMegas探测器的电荷灵敏前置放大
器设计的开题报告
背景介绍：
MicroMegas探测器是一种高精度、高灵敏度的粒子探测器，广泛应用于高能物理实验等领域。
为了提高探测器的信噪比和精度，需要采用
一种高性能的电荷灵敏前置放大器来进行信号放大。
研究目的：
本文旨在设计一种适用于MicroMegas探测器的电荷灵敏前置放大器，以提高信噪比和精度。
研究内容：
1. MicroMegas探测器信号特点分析；
2. 前置放大器电路方案设计；
3. 前置放大器性能测试及优化。
研究方法：
1. 分析MicroMegas探测器信号特点，确定前置放大器电路需求；
2. 根据需求，设计前置放大器电路方案；
3. 利用模拟仿真软件对电路进行仿真分析，优化设计；
4. 进行前置放大器的制作、测试和性能优化。
预期结果：
设计出适用于MicroMegas探测器的电荷灵敏前置放大器，具有高信噪比、高精度、低功耗等优点，能够提高探测器的检测灵敏度和准确度。
研究意义：
本研究将为MicroMegas探测器的信号放大技术提供新的思路和方法，为相关研究领域的进一步发展提供技术支持。
同时，设计出的前置放大
器也可应用于其他领域的粒子探测器中，具有良好的应用前景。
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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。
图2.1 AD8065连接图图2.2 AD8065小信号频率响应- 5 -2.2 LM710比较芯片LM710是一种高速电压型比较器，其在电路设计上具有微分输入和单端输出的特点。
这种器件采用单一的硅芯片封装，保证了低的补偿和热漂移。
LM710由于其最小量的阶段和少数载流子控制的特点，其速度要比一般的运算放大器快得多。
事实上，在同等功率条件下，采用单块集成电路方式的LM710的性能是由离散组件组装而成的器件无法比拟的。
LM710具有广泛的应用，其在模数转换的应用中，主要是作为脉冲前沿甄别器和电压比较器使用。
图2.3 LM710电路原理图图2.4 LM710结构图2.3 74LS123芯片74LS123是常用的可重触发单稳态触发器，在各种数字电路和单片机系统的显示系统中常用。
74LS123内有两组多谐振荡器，这个直流触发多振荡器的特点是由三种方法控制脉冲宽度，最基本的是选取外部的RC值来控制。
IC内部已经有一个定时电阻，因此允许只外接定时电容使用。
其功能特点：清零终止输出脉冲；为VCC和温度变化补偿；直流触发是高电平或电平逻辑输入。
图2.5 74LS123逻辑示意图- 7 -引出端符号：C EXT1、C EXT2 外接电容端Q1、Q2 正脉冲输出端/Q1、/Q2 负脉冲输出端/CLR1、/CLR2 直接清除端（低电平有效）A1、A2 负触发输入端B1、B2 正触发输入端图2.6 74LS123逻辑功能表第三章电子学系统的设计及测试3.1 多路前端电子学单元的设计及制作电子学系统中，前端电子学采用的是GASSIPLEX0.7-3芯片组。
该芯片是一种专为Micromegas探测器研制的16通道低噪声电荷灵敏放大器，包括了信号的放大、成形及缓冲，用来提高信噪比、保证峰值的取样精度、输入信号的带宽及抑制谐波畸变。
信号经甄别电路甄别后输出一个TOT信号，通过一个多触发的TDC记录下TOT信号的前后沿时刻。
TOT前沿对应于电荷信号的到达时刻，TOT宽度与电荷信号的电荷量Q成正比。
图3.1为已设计的GASSIPLEX0.7-3芯片的外围工作电路。
图3.2为已制作的GASSIPLEX0.7-3芯片组的外围工作电路。
- 9 -GASSIPLEX 0.7-3图3.1 GASSIPLEX0.7-3芯片的外围工作电路设计图3.2 GASSIPLEX0.7-3芯片组的外围工作电路图3.3为利用信号源对已制作的GASSIPLEX0.7-3芯片组工作电路进行测试。
图3.3 信号源对GASSIPLEX0.7-3芯片组电路测试。
Micromegas输出的信号经快响应高压保护电路，16通道低噪声电荷灵敏放大器芯片，通过反卷积滤波器用于补偿由于慢速的离子漂移引的信号较长的衰减时间；成形电路可以产生一个峰值时间1.2μs 的准高斯信号，且在5μs 后以小于1%的偏差恢复基线电平；寻迹、保持电路用来控制信号峰值信息的存储，并最终将多路输入信号转化成串行输出信号，通过模拟多路复用电路连接到高速ADC上。
图3.4为用55Fe源作为测试源，通过电荷灵敏放大芯片测得的输出波形。
图3.4 55Fe放射源通过示波器观测到输出的波形该电路完全可以满足对Micromegas输出的信号放大的要求。
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。
- 11 -3.2 延迟线的模拟、电路设计及制作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。
（a）、延迟线的参数计算、模拟仿真根据延迟线的参数计算，用Multisim仿真软件设计了由77个延迟单元组成的延迟线，其中L=50nH，C=20pF，截止频率ω0=1GHz，延迟线的匹配阻抗Z0=50Ω。
并用该软件对此77单元的延迟线进行仿真。
给延迟线一个5V脉冲信号，宽度为20ns，上升和下降时间都为10ns，并使它从延迟线的第11个单元进入。
测得脉冲未进入延迟线时的波形和从延迟线末端输出的波形如图3.5(a)所示，可见从延迟线输出的信号反射很小。