基于TODT方案的核信号读出电子学研究

发布时间：2022-08-06 19:27

　　核辐射探测的过程一般都是通过探测器将需要探测的粒子信息转换为可以测量的电信号进行的,这些电信号经过前端模拟电路处理后被数字化,之后再将数据传给上位机记录和分析。对探测器输出进行处理的电子学称为探测器读出电子学。很多的高能物理实验和核成像设备需要并行读出的通道数很大,以基于大块连续晶体的高分辨率PET探测器为例：它的目标是读出Y光子作用在晶体中的光分布信息,利用某种位置定位算法（如神经网络定位算法、SBP算法、K邻近元算法和最大似然定位算法等）来完成对Y光子与晶体作用位置的估计。由于这类探测器对读出电子学的性能要求较高,加之一个PET扫描器由众多的探测器单元构成,留给读出电子学的空间非常有限,因而探测器的读出电子学系统需要被高度集成化。对于这类众多通道同时要求读出的应用,传统的电荷分配读出办法以及延迟线读出办法等因为分辨率较低而难以胜任。如果直接购买标准的核信号数字化仪器来构建一个满足大量通道探测器读出的核信号数字化系统,或者简单的用分立器件设计单通道读出电子学并根据通道数直接复制的话,其体积、成本、功耗都将超出可以接受的范围。因此目前有很多的研究团队都在从各个方面着手研究多通道探测器的... 

【文章页数】：152 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 粒子物理与粒子物理实验
        1.1.1 标准模型
    1.2 粒子探测技术
        1.2.1 粒子探测器
        1.2.2 读出电子学
    1.3 粒子探测技术在医学中的应用
    1.4 PET成像原理
        1.4.1 PET结构
        1.4.2 示踪剂
        1.4.3 符合探测技术
        1.4.4 γ光子探测
        1.4.5 PET闪烁晶体
        1.4.6 光电转换
        1.4.7 定位算法
    1.5 本章小结
第2章 探测器读出方案
    2.1 Q/V转化后幅度数字化
        2.1.1 电荷模拟积分Q/V
        2.1.2 数字积分
    2.2 Q/T转化后时间数字化
        2.2.1 线性放电法
        2.2.2 TOT方案
    2.3 目前大通道读出方案
    2.4 本章小结
第3章 TODT基本原理及技术方案
    3.1 TODT提出背景
    3.2 TODT基本原理
    3.3 TODT对比TOT
    3.4 TODT读出电子学及测试
        3.4.1 TODT方案性能测试电路
        3.4.2 动态阈值曲线的选择
    3.5 本章小结
第4章 64通道PET探测器TODT读出电子学设计
    4.1 TODT方案Y光子探测器设计
        4.1.1 LYSO晶体
        4.1.2 H7546B
    4.2 TODT读出电子学设计
    4.3 探测器前端板设计
        4.3.1 高压模块
        4.3.2 电荷灵敏成形放大
        4.3.3 触发判选
        4.3.4 前沿定时电路
        4.3.5 恒比定时电路及ARC定时
        4.3.6 符合电路
        4.3.7 触发展宽
        4.3.8 Coin Skew标定
    4.4 64通道TODT数字化板
        4.4.1 第二级电压放大
        4.4.2 幅度时间转化
        4.4.3 Dynamic threshold合成电路设计
        4.4.4 Dynamic threshold分发电路设计
    4.5 FPGA逻辑设计
        4.5.1 主状态机设计
        4.5.2 寄存器定义
        4.5.3 事例打包
        4.5.4 接口设计
        4.5.5 64通道时间测量设计
    4.6 控制及数据获取软件设计
    4.7 电子学系统性能及测试
        4.7.1 Start_skew的标定
        4.7.2 线性度及一致性测试
        4.7.3 符合模块测试
        4.7.4 基本功能测试
    4.8 本章小结
第5章 64通道PET探测器性能测试与分析
    5.1 测试方案
    5.2 LYSO晶体背景能谱
    5.3 ~(22)Na放射源作用下的LYSO单端能谱
    5.4 ~(22)Na放射源符合能谱
    5.5 γ光子与晶体作用光分布信息
    5.6 TODT读出性能分析
        5.6.1 DAC合成动态阈值jitter问题
        5.6.2 基线对TODT读出性能的影响
    5.7 本章小结
第6章 基于FPGA的高性能TDC研究
    6.1 TDC技术
    6.2 TODT方案对TDC的要求
    6.3 基于FPGA的TDC设计与测试
        6.3.1 基于进位链的TDC设计
        6.3.2 基于多相位时钟的TDC设计
        6.3.3 多相位时钟TDC测试
    6.4 延迟链TDC、多相位TDC对比
    6.5 本章小结
第7章 动态阈值波形合成方案研究
    7.1 数字合成
        7.1.1 数字合成分析
    7.2 模拟合成
        7.2.1 模拟合成方案一
        7.2.2 模拟合成方案二
    7.3 动态阈值波形合成方案对比
    7.4 TODT方案ASIC初步思考
    7.5 本章小结
第8章 总结与展望
    8.1 总结
    8.2 论文的创新点
    8.3 展望
    8.4 本章小结
参考文献
致谢
研究生期间发表的论文和专利


【参考文献】：
期刊论文
[1]A study of time over threshold （TOT） technique for plastic scintillator counter[J]. 吴金杰,衡月昆,孙志嘉,吴冲,赵玉达,杨桂安,姜春华.  中国物理C. 2008(03)
[2]A time-over-threshold technique for PMT signals processing[J]. LIU Xuzong LIU Shubin* AN Qi (Fast Electronics Lab, Modern Physics Department, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China).  Nuclear Science and Techniques. 2007(03)

博士论文
[1]空间暗物质探测卫星量能器读出电子学方法研究[D]. 封常青.中国科学技术大学 2011
[2]基于神经网络定位算法的高分辨率PET探测器研究[D]. 都军伟.中国科学技术大学 2010
[3]基于FPGA的精密时间—数字转换电路研究[D]. 宋健.中国科学技术大学 2006



本文编号：3670229