SPAD单光子探测器SPICE电路模型的建立与仿真研究

在SPAD等效电路的基础上建立了简单实用的SPICE电路模型,并对SPAD四种基本的工作电路结构(被动淬灭、主动淬灭、门控模式和电容淬灭)进行了细致的仿真分析.仿真结果清晰的反映了四种电路各自的特性和优缺点,以及SPAD器件寄生参数对于电路性能的影响,得到了与实验基本一致结果.该电路模型可以直接应用于后续信号读出电路及前置放大电路系统的仿真设计,调节电路参数,优化电路性能,从而节省后续电路设计与制作的时间.     

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6 W。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VA160 ASIC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0～12.5 pC的动态范围,通道的随机噪声水平好于2 fC,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。     

微小角中子散射谱仪的高分辨中子闪烁体探测器研究

微小角中子散射谱仪是中国散裂中子源(China spallation neutron source,CSNS)工程目前在建的谱仪之一,为了实现微小角散射模式下中子衍射的精确测量,要求中子探测器的位置分辨≤2 mm、探测效率≥60%@0.4 nm。在此物理精度需求下,研制了基于⁶LiF/ZnS(Ag)闪烁屏、波移光纤阵列和硅光电倍增管(Silicon Photomultiplier,SiPM)结构的位置灵敏型闪烁体探测器,以实现热中子的高效率和高分辨实时探测。探测效率测试以标准3He管的入射中子数归一化计算得到,位置分辨通过含有“CSNS”字样的含硼铝板验证。本文详细研究了0.5 mm直径波移光纤的光传输性能,对比了不同硅光电倍增管的增益和热噪声特性,并以此设计了有效面积为300 mm×300 mm的探测器工程样机。经测试,该探测器的位置分辨为1.2 mm×1.2 mm,探测效率为(61.8±0.2)%@0.4 nm,达到了工程设计指标,满足了CSNS工程微小角谱仪的中子衍射测量需求。     

基于WLS光纤及SiPM读出的反符合探测器单元研究

中高能区中完全运动学测量是研究丰中子奇异核结构与性质的常用实验方法。反符合（Veto）探测器是CSR-RIBLLII(CoolingStorageRing-RadioactiveIonBeamLineinLanzhou)外靶实验终端（ExternalTarget Facility,ETF）开展丰中子测量的关键设备之一,其功能是消除带电粒子干扰以提高丰中子的有效事例数。然而,原有的Veto探测器存在探测效率低、均匀性差等缺点,可能导致实验与理论计算结果出现偏差。为了解决原有探测器的问题,设计了一种新的Veto探测器单元构型,即采用在Veto探测器单元中嵌入波长位移转换光纤（Wave Length Shifter Fiber,WLS）,并使用硅光电倍增管（Silicon Photomultiplier,SiPM）读出的方案。搭建了专门的测试平台并对新型Veto探测器单元进行细致研究,其关键性能参数反符合效率可大于99.9%,相比于原有的Veto探测器提升了22.74%。这一研究结果为CSR-RIBLLII外靶实验终端提供了有效的升级方案,为下一步丰中子奇异核的实验研究奠定了良好的基础。     

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。     

双端输出塑料闪烁体探测器的符合关联测试

利用双端信号输出的塑料闪烁体与灵敏度高、时间响应快的硅光电倍增管构成塑料闪烁体探测器探头,并与后端的数字化转换器等电子学系统搭建成塑料闪烁体探测器系统。为了研究不同数据处理方法对真事件探测效率和能量分辨率的优化,分别使用标准γ源60Co和137Cs对塑料闪烁体探测器系统进行测试。研究了关联事件的符合时间窗对探测器真事件探测效率的影响,分析了波形的积分长度与脉冲信号甄别(Pulse Shape Discrimination,PSD)开窗法对能谱能量分辨率的改进。结果表明,在关联事件的符合时间窗为15 ns时,真事件探测效率最佳,当波形积分长度为80 ns时,通过PSD开窗后能量分辨率由原来的53.38%优化为42.21%。     

塑料闪烁体探测器性能比较

采用MC模拟了对溶剂BC408、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PS(聚苯乙烯)、乙烯基甲苯、LiME(甲基丙烯酸锂)共5种材质的塑料闪烁体在不同射线能量下的性能参数测试,并将实验数据进行对比,进而选出光产额与探测效率较高的产品。实验结果表明:BC408塑料闪烁体在能量区间为0～0.662 MeV的射线照射下的光产额与探测效率皆比其他4种材质更为稳定,适用性更强。此次试验结果可为使用选取探测器提供参考。     

用于总β测量的新型组合探测器主探测部件γ效率计算

介绍了一种用于放射性场所总β水平测量的组合探测器的结构与工作原理。对其主探测部件（塑料闪烁体）的厚度及其对γ的探测效率进行了理论推导。并用MATLAB求出探测效率的数值解。     

用于总β测量的新型组合探测器主探测部件γ效率计算

本文介绍了一种用于放射性场所总β水平测量的组合探测器的结构与工作原理。对其主探测部件（塑料闪烁体）的厚度及其对γ的探测效率进行了理论推导。并用MATLAB求出探测效率的数值解。     

改善CeF_3闪烁探测器输出特性的方法研究

常用的CeF3闪烁探测器,由于闪烁体发光与光电器件光谱响应不完全匹配,使得探测器的主要输出特性——输出幅度和脉冲波形形状发生明显变化,较难依据相似性通过探测器输出复原得到辐射源的真实特征。本工作针对这种不完全匹配情况,分析比较了几种改善闪烁探测器输出的方法,提出了在CeF3无机闪烁体与光电器件光阴极之间加移波膜片耦合的方法。原理分析和实验测量结果表明:采取移波膜片耦合方法可使传统CeF3闪烁探测器输出特性得到明显改善,输出幅度增加50%以上,脉冲时间响应前沿由传统方式的12ns变化到移波方式的约3ns。     

面向暗物质直接探测的原型液氩探测器读出电子学系统设计

针对面向暗物质直接探测的t级原型液氩探测器的信号读出需求,本文设计了1套基于高速、高精度波形数字化技术及PXI Express高速仪器总线技术的读出电子学系统。该系统采用多个波形数字化模块和1个全局触发模块,实现单机箱40路光电倍增管信号的同步采集。系统具有很好的灵活性和可扩展性,通过将多个机箱的触发模块级联可进一步将系统规模扩展至数百通道。该系统研制完成后,配合1个10 kg级的小型液氩探测器开展了单光电子标定和放射源联调测试。通过放射源测试,获得了高质量的液氩探测器闪烁光信号波形。利用脉冲形状甄别算法,可清晰区分核反冲事例和γ事例,初步结果表明,在80~240 pe(光电子)信号幅度范围内的17万个事例中,没有电子反冲信号被误判为中子信号,验证了读出电子学技术路线和设计方案的可行性。     

Design of Readout Electronics System for Prototype LAr-based Direct Dark Matter Detector

The prototype readout electronics system of direct dark matter detection experiments, which is mainly based on high speed and high precision waveform sampling and high speed data transfer techniques, consists of multiple waveform digitization modules (WDMs) and one global trigger module (GTM). The WDM exploits high speed analog-to-digital converter to acquire signals from the photomultiplier tubes (PMTs). The GTM collects hit information from WDMs, generates system trigger signal and fans out synchronous clock to all WDMs via backplane buses. Based on offline pulse shape discrimination method, the nuclear recoil events from a PuC neutron source can be clearly distinguished from gamma events within the energy range of 80 pe (photoelectron) to 240 pe for gamma rays, which indicates the capability of fulfilling the requirements of LAr-based direct dark matter detection experiments in future.     

PandaX-nT暗物质探测实验读出电子学预研系统的研制

PandaX-nT升级对电子学系统提出了诸多新的挑战,如更多的通道数、高速高精度的波形数字化、灵活的触发算法和更高的数据带宽要求等。本文介绍一种为未来PandaX-nT暗物质直接探测升级实验预研的读出电子学系统。该电子学系统主要由前置放大电路模块、波形数字化模块(FDM)、数据获取模块(DAQ)和时钟分发模块等组成。FDM集成8路14 bit@1 GS/s ADC,具有较高集成度,可实现对探测器信号波形数字化,并通过光纤与DAQ通信。DAQ可汇总多块FDM数据,实现全数字化的触发算法,并通过基于TCP协议的千兆以太网与计算机通信,保证了数据传输的可靠与稳定。目前已完成了整个读出电子学系统设计,并对整个电子学系统进行了功能验证,以及与探测器进行了初步的联合测试。整个电子学系统具有较高的可扩展性,并能实现更复杂的触发算法,能满足下一代升级的需求。     

暗物质实验网络读出数据获取软件设计

在ATLAS TDAQ框架的基础上,为暗物质实验开发了基于网络读出的数据获取软件。软件实现了高速数据读出,事例组装,数据波形零压缩和存盘等功能。论文最后对软件的运行情况进行了稳定性测试,软件的读出带宽可达到240MB/s,波形压缩比可达到150倍。     

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。     

LaBr_3(Ce)闪烁体APD前端读出设计

本文以雪崩光电二极管为小体积Labr_3(Ce)闪烁体的光电读出器件,并设计低噪声电荷灵敏前置放大器与雪崩光电二极管进行匹配组成完整前端探头,可应用于便携式小体积能谱仪中。雪崩光电二极管的增益、暗电流和结电容易受两端偏置电压影响,而这些特性的变化将影响能谱的读出效果。为此在不同的偏置电压下,测试了该探头组成的闪烁探测器的能量分辨率。当偏置电压为380 V时,对能量为662 keV的γ射线的最佳能量分辨为3.97%。     

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10 240路半数字通道读出或4 096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。     

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。     

硅像素探测器读出芯片的设计

针对应用在高能物理实验的硅像素探测器,设计了一种基于时间过阈技术的像素阵列读出芯片。芯片采用商用的130 nm CMOS工艺进行流片,共有30×10个像素单元,像素单元的面积为50 μm×250 μm。测试结果表明,像素单元电路的等效噪声电荷低于100e^-,积分非线性优于4.2%,基本实现了设计的功能。