SiPM小批量测试系统性能调试及控制软件开发
发布时间：2021-12-23 06:23
随着基础科学的进步和新科技的应用,粒子探测技术作为一种研究粒子的基本手段之一,得到了蓬勃发展。随着科学技术、核技术、粒子物理及现代电子学的发展,粒子探测器也在不断的变化发展。半导体探测器是目前最常见的探测器之一。随着探测性能的进一步改善与价格逐渐变得亲民,硅光电倍增管（Silicon Photomultiplier,SiPM）是目前应用于高能物理及核物理领域最广泛的半导体探测器之一。由于制造工艺的限制,SiPM具有个体性差异。因此在大规模应用SiPM时,通常要求对每个SiPM进行详细的测试,以得到它们各自的性能参数信息,筛选出性能参数不达标的元件,从而利用性能合格的SiPM构造大面积的探测器阵列。但是当前国内用于测试SiPM设备主要面向单路测试,其系统结构复杂,测试效率低,人工参与的程度高,无法实现快速有效的自动化测试,导致测试单个SiPM花费时间较长,也难以有效的扩展成多通道测试装置,因此难以克服批量测试SiPM遇到的困难,从而制约了SiPM的大规模应用。本文基于全波形采样方法,联合合作单位开发了新的光源驱动板与电源驱动模块代替传统SiPM的性能测试系统中的光源系统与电源系统,并与读...
【文章来源】：北方工业大学北京市
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
SiPM原理
第一章绪论51.2SiPM的大批量使用现状经过几十年的研究和发展，SiPM的技术已经取得了很大的进展，其缺点得到了一定程度的改善。研究人员不仅对其性能进行了深入广泛的研究，并且开始尝试将其大批量应用在探测器设计中。根据正在处于预研阶段的环形正负电子对撞机（CircularElectron-PositronCollider，CEPC）[18]的概念设计报告，其设计的塑闪-钨取样型电磁量能器约需要使用1100万路SiPM作为读出器件，强子量能器方案中粗略估计需要使用6000万路的SiPM。国外目前正在处于预研阶段的无中微子双贝塔衰变实验nEXO实验打算采用面积多达4-5m2的SiPM阵列构造探测器，读出通道数目高达4万多路[19]。以上这些基于SiPM的应用表明了使用SiPM构建大面积探测器是未来发展的一个趋势，这就必然需要对所使用的SiPM进行大批量性能检测。图1-3环形正负电子对撞机电磁量能器由于制造工艺的限制，SiPM具有个体性差异。因此在大规模应用SiPM时，通常要求对每个SiPM进行详细的测试，以得到它们各自的性能参数信息，筛选出性能参数不达标的元件，从而利用性能合格的SiPM构造大面积的探测器阵列。当前国内SiPM的测试方案大多面向少量SiPM的性能测试，不仅系统结构复杂，搭建成本高，人工参与的程度高，同时难以有效快速的扩展成多通道测试装置。以上特点决定了测试多路SiPM花费时间较长，测试效率低，难以克服批量测试SiPM遇到的困难，无法实现快速有效的自动化测试，从而制约了SiPM的大规模应用。因此非常需要一种可以快速高效地针对SiPM进行大批量性能检验的新测试方案。
第一章绪论7图1-4VME-NIM测试系统实物（左）与结构组成全波形采样测试系统SiPM的波形信号包含了丰富的物理信息，可以从信号中获得SiPM的电荷、时间、振幅和计数等性能参数。研究人员可以通过采用基于高速波形采样的方法记录包含的波形的测试装置结构，通过在线或者离线分析提取有关数据后通过计算或者拟合得到结果。桌面式数字化仪（DesktopDigitizer，DT）是由意大利CAEN公司生产的一类快速模数转换器（FlashAnalog-to-DigitalConverter，FADC）。目前实验室使用的型号包括4通道的DT5751[25]以及16通道的DT5742[26]。基于DT的测试系统不需要辅助插件，触发信号支持面板输入（外部触发）及软件产生（自触发）两种模式，使得其测试范围覆盖面更加广泛，设备的采样率与带宽决定保存波形的精度与速度。DT本身较小巧的体积使之具有良好的便携性，同时其支持多个波形数字化仪内部时钟同步及与公共时钟源同步的功能使得其用于批量测试成为可能。但由于其存储波形的逻辑，采样宽度会直接影响单个波形的存储时间并产生死时间，同时与PC连接的采用的USBB-Type接口的传输速率上限也导致DT在高计数率场合中可能出现丢数现象，如何在应用DT时确保其不受影响是在应用时需要考虑的问题。除DT外，随着技术进步，新型的数字示波器内置的模数转换器也可以完成在高精度显示被测信号的同时，通过前面板操作对捕获的信号进行运算并存储。图1-5DT5751与其测试系统结构
【参考文献】：
期刊论文
[1]光电探测器件的单光电子谱数据获取[J]. 高峰,钱森,宁哲,王志刚,马丽双,朱瑶,陈鹏宇,尹士玉,王治乐. 核技术. 2019(10)
[2]SiPM低压电源模块性能研究[J]. 尹士玉,陈鹏宇,马丽双,钱森,朱瑶,高峰,王阳,王志刚,宁哲. 核技术. 2019(09)
[3]多像素光子计数器的性能研究[J]. 肖凤云,王占军. 工业计量. 2019(04)
[4]LHAASO-WFCTA前置放大电路板性能研究[J]. 姜文印,贾焕玉,祝凤荣,何钰,张寿山,张勇,谢宁,尹丽巧. 信息技术. 2019(03)
[5]基于Ionic开发平台的数据库创建[J]. 李雅雯,宁哲,钱森,朱纳,高峰,江晓山,张银鸿,蔡浩. 核技术. 2017(04)
[6]基于FPGA的单光子脉冲信号发生器设计[J]. 马毅超,朱纳,党宏社,钱森,白文静. 核技术. 2016(09)
[7]直流稳定电源纹波与噪声的测量[J]. 许兴明,刘国伟. 宇航计测技术. 2016(03)
[8]多像素光子计数器（MPPC）的性能测试[J]. 马付平,张广鑫,张高龙,王涛峰. 物理与工程. 2015(04)
[9]基于温度补偿的多通道MPPC增益稳定性及一致性研究[J]. 方灿,衡月昆,梁静静,阮向东,赵子荀,何舒杨,陈晓辉,雷祥翠,吴智,王小状,蔡力,徐美杭,罗凤娇,刘术林,钱森,闫保军,杨玉真,杨露萍. 核电子学与探测技术. 2015(06)
[10]硅光电倍增探测器温度特性分析与实验[J]. 戴泽,全林,程晓磊,张艳,王鲲鹏. 飞行器测控学报. 2015(03)
博士论文
[1]大型高海拔宇宙线观测站广角契伦科夫/荧光望远镜光电倍增管阵列研制[D]. 葛茂茂.云南大学 2016
[2]基于Si PM光子计数器的激光主动探测技术研究[D]. 赵帅.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2011
[3]惰性气体同位素测量系统的智能化研究[D]. 卢慧卿.天津大学 2008
硕士论文
[1]基于塑料闪烁体和SiPM的强子量能器研究[D]. 吴哲.重庆大学 2018
[2]高能粒子探测数据通信管理模块设计与实现[D]. 李彤.成都理工大学 2017
[3]基于电子渠道整合的手机银行系统设计与实现[D]. 李砚铭.湖南大学 2016
[4]基于SiPM与塑料闪烁体的核辐射探测器研制[D]. 谭晓明.兰州理工大学 2016
[5]SiPM位置灵敏探测器和日盲紫外PMT的性能研究[D]. 梁静静.广西大学 2016
[6]MPPC阵列探测器在卫星激光测距中的应用研究[D]. 和丽娟.中国科学院研究生院(云南天文台) 2016
[7]SiPM光子探测性能分析及高精度多光子探测研究[D]. 陈义拴.陕西师范大学 2016
[8]基于温度补偿的多通道MPPC增益稳定性及一致性研究[D]. 方灿.广西大学 2015
[9]基于SiPM的高速多光子检测系统研究[D]. 张天琪.陕西师范大学 2015
[10]LHAASO-KM2A中光电倍增管的性能研究与批量测试[D]. 王旭.山东大学 2012
本文编号：3547962
【文章来源】：北方工业大学北京市
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
SiPM原理
第一章绪论51.2SiPM的大批量使用现状经过几十年的研究和发展，SiPM的技术已经取得了很大的进展，其缺点得到了一定程度的改善。研究人员不仅对其性能进行了深入广泛的研究，并且开始尝试将其大批量应用在探测器设计中。根据正在处于预研阶段的环形正负电子对撞机（CircularElectron-PositronCollider，CEPC）[18]的概念设计报告，其设计的塑闪-钨取样型电磁量能器约需要使用1100万路SiPM作为读出器件，强子量能器方案中粗略估计需要使用6000万路的SiPM。国外目前正在处于预研阶段的无中微子双贝塔衰变实验nEXO实验打算采用面积多达4-5m2的SiPM阵列构造探测器，读出通道数目高达4万多路[19]。以上这些基于SiPM的应用表明了使用SiPM构建大面积探测器是未来发展的一个趋势，这就必然需要对所使用的SiPM进行大批量性能检测。图1-3环形正负电子对撞机电磁量能器由于制造工艺的限制，SiPM具有个体性差异。因此在大规模应用SiPM时，通常要求对每个SiPM进行详细的测试，以得到它们各自的性能参数信息，筛选出性能参数不达标的元件，从而利用性能合格的SiPM构造大面积的探测器阵列。当前国内SiPM的测试方案大多面向少量SiPM的性能测试，不仅系统结构复杂，搭建成本高，人工参与的程度高，同时难以有效快速的扩展成多通道测试装置。以上特点决定了测试多路SiPM花费时间较长，测试效率低，难以克服批量测试SiPM遇到的困难，无法实现快速有效的自动化测试，从而制约了SiPM的大规模应用。因此非常需要一种可以快速高效地针对SiPM进行大批量性能检验的新测试方案。
第一章绪论7图1-4VME-NIM测试系统实物（左）与结构组成全波形采样测试系统SiPM的波形信号包含了丰富的物理信息，可以从信号中获得SiPM的电荷、时间、振幅和计数等性能参数。研究人员可以通过采用基于高速波形采样的方法记录包含的波形的测试装置结构，通过在线或者离线分析提取有关数据后通过计算或者拟合得到结果。桌面式数字化仪（DesktopDigitizer，DT）是由意大利CAEN公司生产的一类快速模数转换器（FlashAnalog-to-DigitalConverter，FADC）。目前实验室使用的型号包括4通道的DT5751[25]以及16通道的DT5742[26]。基于DT的测试系统不需要辅助插件，触发信号支持面板输入（外部触发）及软件产生（自触发）两种模式，使得其测试范围覆盖面更加广泛，设备的采样率与带宽决定保存波形的精度与速度。DT本身较小巧的体积使之具有良好的便携性，同时其支持多个波形数字化仪内部时钟同步及与公共时钟源同步的功能使得其用于批量测试成为可能。但由于其存储波形的逻辑，采样宽度会直接影响单个波形的存储时间并产生死时间，同时与PC连接的采用的USBB-Type接口的传输速率上限也导致DT在高计数率场合中可能出现丢数现象，如何在应用DT时确保其不受影响是在应用时需要考虑的问题。除DT外，随着技术进步，新型的数字示波器内置的模数转换器也可以完成在高精度显示被测信号的同时，通过前面板操作对捕获的信号进行运算并存储。图1-5DT5751与其测试系统结构
【参考文献】：
期刊论文
[1]光电探测器件的单光电子谱数据获取[J]. 高峰,钱森,宁哲,王志刚,马丽双,朱瑶,陈鹏宇,尹士玉,王治乐. 核技术. 2019(10)
[2]SiPM低压电源模块性能研究[J]. 尹士玉,陈鹏宇,马丽双,钱森,朱瑶,高峰,王阳,王志刚,宁哲. 核技术. 2019(09)
[3]多像素光子计数器的性能研究[J]. 肖凤云,王占军. 工业计量. 2019(04)
[4]LHAASO-WFCTA前置放大电路板性能研究[J]. 姜文印,贾焕玉,祝凤荣,何钰,张寿山,张勇,谢宁,尹丽巧. 信息技术. 2019(03)
[5]基于Ionic开发平台的数据库创建[J]. 李雅雯,宁哲,钱森,朱纳,高峰,江晓山,张银鸿,蔡浩. 核技术. 2017(04)
[6]基于FPGA的单光子脉冲信号发生器设计[J]. 马毅超,朱纳,党宏社,钱森,白文静. 核技术. 2016(09)
[7]直流稳定电源纹波与噪声的测量[J]. 许兴明,刘国伟. 宇航计测技术. 2016(03)
[8]多像素光子计数器（MPPC）的性能测试[J]. 马付平,张广鑫,张高龙,王涛峰. 物理与工程. 2015(04)
[9]基于温度补偿的多通道MPPC增益稳定性及一致性研究[J]. 方灿,衡月昆,梁静静,阮向东,赵子荀,何舒杨,陈晓辉,雷祥翠,吴智,王小状,蔡力,徐美杭,罗凤娇,刘术林,钱森,闫保军,杨玉真,杨露萍. 核电子学与探测技术. 2015(06)
[10]硅光电倍增探测器温度特性分析与实验[J]. 戴泽,全林,程晓磊,张艳,王鲲鹏. 飞行器测控学报. 2015(03)
博士论文
[1]大型高海拔宇宙线观测站广角契伦科夫/荧光望远镜光电倍增管阵列研制[D]. 葛茂茂.云南大学 2016
[2]基于Si PM光子计数器的激光主动探测技术研究[D]. 赵帅.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2011
[3]惰性气体同位素测量系统的智能化研究[D]. 卢慧卿.天津大学 2008
硕士论文
[1]基于塑料闪烁体和SiPM的强子量能器研究[D]. 吴哲.重庆大学 2018
[2]高能粒子探测数据通信管理模块设计与实现[D]. 李彤.成都理工大学 2017
[3]基于电子渠道整合的手机银行系统设计与实现[D]. 李砚铭.湖南大学 2016
[4]基于SiPM与塑料闪烁体的核辐射探测器研制[D]. 谭晓明.兰州理工大学 2016
[5]SiPM位置灵敏探测器和日盲紫外PMT的性能研究[D]. 梁静静.广西大学 2016
[6]MPPC阵列探测器在卫星激光测距中的应用研究[D]. 和丽娟.中国科学院研究生院(云南天文台) 2016
[7]SiPM光子探测性能分析及高精度多光子探测研究[D]. 陈义拴.陕西师范大学 2016
[8]基于温度补偿的多通道MPPC增益稳定性及一致性研究[D]. 方灿.广西大学 2015
[9]基于SiPM的高速多光子检测系统研究[D]. 张天琪.陕西师范大学 2015
[10]LHAASO-KM2A中光电倍增管的性能研究与批量测试[D]. 王旭.山东大学 2012
本文编号：3547962
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