半导体辐射探测器前端读出专用集成电路研究

发布时间：2020-05-11 20:13

【摘要】：以碲锌镉(CdZnTe)探测器为代表的新型半导体辐射探测器,因其具有较高的射线吸收率和能量转换率,可实现对超微量X/γ射线的高效检测,特别是可以在常温下使用。在环境放射性监测、矿物和地质勘查、安全检查、生物医学成像、空间探测以及高能物理实验等领域,CdZnTe探测器均具有广阔的应用前景。前端读出专用集成电路的功能是将探测器输出的微弱电信号进行放大、成形和数字化,要求其具有低噪声、高精度、高速度、小面积、低功耗以及抗辐射等特点。本论文研究与设计实现了应用于CdZnTe探测器系统的前端读出专用集成电路,完成的主要研究工作如下:1.研究了半导体辐射探测器的信号读出与处理技术以及前端读出电路的单片集成技术。为了实现低噪声,对前端读出电路的主要模块进行了详细的理论分析和优化设计方法研究,包括前置放大器、漏电流补偿电路、极零相消电路、滤波成形器、峰值采样和保持电路、时间标记电路等。另外,分别针对便携式辐射探测仪以及辐射成像系统的应用需求,对前端读出芯片的系统结构进行了优化设计。2.针对便携式辐射探测仪以及空间探测等应用背景,设计实现了一款低噪声单通道前端读出芯片。该芯片的能量通道采用前置放大器、滤波成形器、输出缓冲器的精简结构,并在前置放大器和滤波成形器的电路设计中进行了噪声优化,具有低噪声、低功耗、高线性度、抗辐射等特点。测试结果表明,该芯片的最大能量输入范围为200 keV,非线性度小于2%,输入等效噪声仅为52.9 e~-,单通道功耗小于2.4 mW,与CdZnTe探测器联合测试时对~(241)Am辐射源的能量分辨率为5.9%,芯片的抗辐射能力满足空间应用的要求。3.针对生物医学成像、安全检查以及高能物理实验等应用背景,设计实现了一款用于辐射检测和成像系统的低噪声64通道前端读出芯片。采用内含双源极跟随器的前置放大器以及高阶有源滤波器,并使得输出波形接近于高斯波形,有利于提高读出速度。同时,采用模拟时序控制电路以及多种串扰隔离技术减小了开关噪声的影响。测试结果表明,该芯片的增益为200 V/pC,非线性度小于1%,单帧信号的读出速度约为10μs,通道间的不一致性小于2.64%,串扰仅为0.22%,输入等效噪声为66 e~-,单通道功耗小于8 mW,与CdZnTe探测器联合测试时对~(241)Am源的能量分辨率可达到4.4%,可用于检测能量低于200 keV的X射线和软γ射线。4.研究了前端读出芯片的抗辐射加固设计技术。在芯片设计中,分别采用了版图级和电路级的抗辐射加固技术。在版图层面,采用环形栅结构的NMOS晶体管并在其周围加入P~+保护环以提高抗总剂量效应的能力。另外,通过在NMOS和PMOS晶体管之间加入P~+型与N~+型的保护环以提高抗单粒子闩锁的能力。在电路层面,对商用CMOS数字单元电路进行了结构上的改进,并采用了具有双互锁存储单元的D触发器,以消除数字电路中的单粒子瞬变和单粒子翻转错误。5.为了减小由于探测器中电子与空穴迁移率不同对辐射检测系统能量分辨率的影响,设计了一款与前端读出电路相匹配的上升时间甄别电路。该电路能够根据所设定的时间阈值对输入信号进行筛选,且时间阈值可调。典型仿真结果表明,该模块电路能够准确地去除宽度大于400 ns的输入脉冲信号,且时间分辨率小于20 ns。本论文的主要创新点如下:1.基于对前端读出系统噪声性能的理论分析与推导,提出了一种低噪声前端读出电路的优化设计方法。该设计方法从理论出发,针对具体的应用需求,从核心运放结构、输入管尺寸选择、电路结构调整、达峰时间计算、电源噪声抑制等方面,对前端读出电路进行结构与参数的优化,以实现前端读出电路噪声性能的最优化。2.提出了一种适用于多通道前端读出电路的双输出电荷灵敏放大器电路结构。该电路中,以折叠式共源共栅放大器为核心,并选用源极接地的PMOS晶体管作为输入管,有效地降低了电源以及环境噪声对电路的影响。同时,采用共栅放大管栅极接地的方式,有效降低了通道间的串扰。并且在该电路输出端引入了双源极跟随器,对反馈网络的连接方式也进行了调整,提升了读出电路的处理速度,并且增强了电路的抗干扰能力和各通道间的一致性。3.由于CdZnTe探测器中电子与空穴的迁移率具有显著差异,粒子入射位置不同会对辐射检测系统的输出信号幅度产生影响,使其能量分辨率下降,另外探测器晶体中的晶格缺陷也会加剧这一现象。本文提出了一种与前端读出电路相匹配的上升时间甄别电路。通过甄别探测器输出电流脉冲信号的宽度,判断其中电子与空穴的贡献比,并以此对能量通道的输出信号进行进一步筛选,从而提高整体系统的能量分辨率。本文基于上述创新技术,采用商用CMOS工艺,设计实现了两款分别用于便携式辐射探测仪以及辐射成像系统的前端读出芯片。所设计的芯片具有低噪声、低功耗、高线性度、高一致性、抗辐射等特点。本文的研究成果对于探测器微弱信号的低噪声前端读出微电子学具有一定的理论意义,对于研发基于半导体辐射探测器的X/γ射线检测与成像系统具有重要的工程实用价值。
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西北工业大学博士学位论文展了相关领域的研究工作，以黑洞、中子星等天体为观卫星（X-ray Timing and Polarization，XTP）的相关研具有大探测面积（30000 ~ 40000 cm2）和宽能量范围（天文卫星，计划搭载高能 X 射线望远镜、低能 X 射线高能 X 射线偏振望远镜和低能 X 射线偏振望远镜等五测 X 射线天体的多波段快速光变，探测 X 射线源的偏体中的物理规律和高能辐射过程，以及研究银河系的弥TP 卫星正处于关键技术攻关以及工程研制阶段，计划

图 1-2 螺旋径迹探测器示意图[14]监测011 年日本福岛核电站事故以来，人们开始普遍关注环境放射建筑物内部装修引起的放射性污染监测。因此，，各种便携式 X价格低、数字化、低功耗、抗干扰的特点，受到越来越多的消仪还被广泛应用于地质添图、无损探伤、矿物分析等领域[15]携式能谱仪而言，在便携性、集成化、低功耗等方面有着很高领域比较知名的公司有 BNC、TSA、ORTEC、CANBERRA、ms、XRF Corp 等[16-17]，图 1-3 给出了几款便携式能谱仪的产品
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TL814;TN40


本文编号：2658997