粒子探测器读出电路设计

发布时间：2020-08-17 17:11

【摘要】：微结构气体探测器因为具有良好的时间和空间分辨率、高抗辐照能力、高增益和可以制作成大面积探测器等优点,近年来得到快速地发展,也因此在高能物理实验、核医学成像、安全监测、以及空间天文等领域得到广泛研究和应用。而相比于气体探测器的快速发展,相应的读出电路系统研究则相对滞后,因此设计适用于气体探测器的读出电路系统变的十分重要。为了检测出探测器中的未知粒子种类及能量等物理特性,需要对粒子在探测器的飞行轨迹进行重构。因此,需要获知粒子在探测器中的能量信息E和飞行时间信息T。而本文设计的读出电路系统正是为了检测未知粒子所具有的能量信息以及其经过探测器时的飞行时间信息。通过对大量文献的阅读,理解了读出电路系统探测未知粒子能量信息E及时间信息T的工作原理,在此基础上,借鉴国内外的研究成果,设计出本文的读出电路系统。粒子读出电路系统主要包括了前置放大器、电压比较器、振荡器、模拟-数字转换器(ADC)、逻辑控制电路以及多个移位计数式寄存器。其中,前置放大器采用MOS管开关放电的反馈电容积分电路,积分电容上的电荷在放电前需要保持一段时间,以便ADC进行采样;比较器采用具有内部正反馈的开环比较器电路结构;振荡器采用基于反相器的环形振荡器结构,电路简单,只需占用较小的芯片面积,可以在每一个像素内集成。飞行时间T采用时间-数字转换器(TDC)进行测量,而粒子能量E则通过10-bit逐次逼近式(SAR)ADC进行测量。整个读出系统是由4×4像素阵列组成,将探测的未知粒子信息二进制化后经移位寄存器移位输出。相比于国外的读出电路系统,本项目将用于测量粒子飞行时间T的TDC精度提高到了1ns(国外时间精度大于1.5ns);相比国内的读出系统,本项目实现了在芯片内部进行数字化后,再对数据进行输出。本文设计的粒子探测器读出电路系统采用TSMC 180nm CMOS工艺,设计出的芯片面积为1110μm×1325μm。经后仿真验证,芯片工作在电源电压1.8V,用来测量粒子飞行时间的TDC精度为1ns,测量的未知粒子能量的动态范围为1fC~150fC。测量的飞行时间范围约40μs。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O572.212;TN79
【图文】：

倒装互连[13]

粒子探测器读出电路系统基路原理统是粒子在探测器中作用产生信号后，出的系统总成。图如图 2-1 所示，探测器的形状是长方极，腔体中充满探测用的介质。整个介质的读出电路阵列。当带电粒子快速穿过漂移到像素接收端 PAD 上。由于电荷感应号。流信号如下图所示。x 轴和 y 轴分别为探电流的阴影部分面积为粒子在探测器中产探测器开始，到在 PAD 上产生电流的这

图 2-2 GOSSIP 探测器示意图[9] 探测器获取的电流信号包括电子分量和空穴分量。漂移而空穴分量产生的电流脉冲则相对较长，如图 2-3 所示图 2-3 GOSSIP 探测器中产生的电流信号[9]设计来说，探测器的寄生电容是很重要的影响因素。这些内的许多因素。在 GOSSIP 探测器中，寄生电容主要由 3容（Cp-grid），PAD 与 PAD 之间的寄生电容（Cp-p）和 PA如图 2-4 所示。

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本文编号：2795599