自动旋转探测仪的电子学系统设计与实现

【摘要】 电子自旋是电子的基本性质之一,自旋电子学是以不同自旋取向的电子为对象,研究具有某一自旋状态的电子运输特性的新兴学科,是当前凝聚态物理的热点领域之一。通过闪烁体加光电倍增管的方式能够测量高能Mott散射电子,从而直接测量出电子自旋极化度和极化方向。本文以此为基础,采用电子自旋探测技术设计出基于电子自旋探测仪的电子学系统。论文首先分析了电子自旋探测器对电子学系统的具体要求,并结合工作环境和噪声等因素,设计了工作在30KV高压环境中的高电位信号处理单元和工作在低电位的控制显示单元,两个单元使用光电转换进行隔离和通信。高电位信号处理单元由高速高增益低噪声的前置放大器、高速脉冲幅度甄别器、反符合电路和计数率可达20MHz的高速计数器组成,使用可充锂电池供电。其中,前置放大器将100uA、20-30nS宽度的电流脉冲信号转换为1Vpp、30ns宽度的电压脉冲信号；高速脉冲幅度甄别器的可调阈值为100mV-4.0V、响应时间为2.5ns。低电位控制显示单元主要功能是提供按键输入、显示实验条件、并且可以通过USB接口与PC机通信,使用标准2U机箱,满足仪器设备规范。本文设计的电子自旋探测仪电子学系统已用于自旋分辨反光电子能谱实验,系统运行稳定,用户界面良好,满足设计需求。
 
【关键词】 电子自旋； 前置放大器； 甄别器； 计数器；

第一章绪论

1.1电子自旋的基本概念
一般而言，微电子学主要是研究电子或离子在半导体材料中的输运规律及其应用；在传统的微电子学应用中一般不考虑电子的自旋特性。但是随着近年来纳米科学技术的发展，半导体组件的尺寸已经可以降到纳米量级。这一改变使得许多宏观特性不再适用，此时，关于微观范畴的电子的自旋状态的研究就显得尤为重要。为了满足新的电子器件的要求，以及通过利用电子自旋的量子性质创新电子器件的功能，一门新兴学利——自旋电子学应运而生。自旋电子学的整体发展一方面依赖于理论方面的研究，主要包括对固体材料尤其是半导体材料的能带结构、缺陷、自旋极化、以及自旋输运等相关性质的深入研究。另一方面也依赖于发现新的材料和设计出全新结构的电子器件和工艺的发展状况（只有在工艺的加工水平达到纳米级别，自旋等量子性质才有可能应用于电子器件)。基于自旋电子学的研究理念，我们将自旋自由度的概念也引入到半导体器件中，我们将这种新型半导体器件称为自旋电子器件。传统的电子器件是以电荷作为信息载体，用电荷的存在或消失来表征系统状态；而自旋电子器件把电荷和自旋结合起来，作为信息的存储和处理载体。这一概念的引入使得半导体器件的工作原理和结构得以创新，也使得其功能与应用空间得以进一步的扩宽。
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1.2电子自旋探测仪的研制意义
材料的电子结构直接决定了材料的力学、热学、光学和电输运等宏观物理性质，因而材料电子结构研究成为凝聚态物理学研究的重要领域。而自旋作为电子结构的一项重要参数，对材料性质尤其是磁学性质的影响有着举足轻重的地位。例如材料中电子向上自旋和向下自旋的电子数量不等，就会出现自旋极化电子态；这种状态的出现，就意味着材料具有了铁磁性的宏观特性。除此之外，凝聚态物理学研究表明，电子自旋相互作用在超导体，重费米子等强关联物理体系相变机制中具有极其重要的作用。通过对自旋分辨的能带结构研究可以得到电子间交换相互作用、自旋-轨道稱合、以及电荷、自旋、轨道以及晶格等多种关联作用。因此确定电子的自旋状态对于材料性质的研究就显得尤为重要。而关于电子自旋状态的表征手段的研究就迫在眉睫。一种先进的电子自旋表征技术对于凝聚态物理学和现代材料研究具有重要的科学和现实意义。近年来，最受关注的同时也被广泛认可的电子自旋探测仪是Mott电子自旋结构探测器。下图为当前使用的Mott电子自旋探测器结构。原理是采用MCP单电子检出的方式直接测量减速背散射电子（如下图1.2.1所示）。这种探测方式最高计数率IxlO6 CPS,工作不稳定，并且内部容易放电，容易受到干扰。在本项目的应用中，要对高通量极化电子流的自旋极化进行检测。场发射极化电子枪的发射电流可达数百量级，如果直接用电子自旋探测器对其检测，意味着每秒每个探测通道5少需检测108个电子。当前屯电子学和电子自旋探测器自身条件限制，不能检测如此高通量的电子流。为了突破这个瓶颈，改善电子自旋探测器的性能，我们采用快速闪烁体进行光电转换来测量发射电子流的极化度与极化方向。
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第二章探测仪系统设计

2.1工作原理
当入射电子束处于非自旋极化状态即入射电子束中自旋方向取向上和向下的电子数目相同时，材料在宏观表现上不具有铁磁性。经磁性材料散射作用以后，被散射的电子和二次电子会在不同散射方向上因为自旋取向数目不同而出现自旋极化的现象，即不同散射方向上自旋取向不同的电子数显著不同[5]。如果能将不同方向的电子数目进行统计，就可以得到电子自旋的极化度和极化方向。探测电子的方法有很多种，原始的方法是釆用MCP (micro channel plate)单电子检出的方式直接测量减速背散射电子。但是这种方式的计数率不够，并且不抗干扰。由此我们提出了用高速闪烁体和光电倍增管检测高能散射电子的检测方式，具体的探测电子的方式如下。如阁2.1.1所示，我们采用高速闪烁体将自旋电子流转换为光信号，再用光电倍增管去探测高速闪烁体产生的光信号，最后输出电流脉冲信号。电子学系统对电流信号进行I-V变换，放大、觀别和计数，这样就可以得到单个方向的自旋电子数。因为不同的极化方向的电子的运动轨迹不同，如果将四个闪烁体和光电倍增的位置进行固定，就可以得到不同方向上的自旋电子数，然后进行分析，最终得到电子自旋的极化度和极化方向。
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2.2闪烁型探测器
闪烁探测器的基本原理装置如下阁2.2.1所示，它主要由闪烁体、光导、光电倍增管以及相应的电子学系统组成。只有在能量较高的区域能量响应才接近线性关系；闪烁体的突光发射光谱应该匹配光电倍增管光阴极的光谱响应，从而获得较大幅度的光脉冲；闪烁体的发光衰减时间要小，这样时间分辨性能就好，就可获得较大的计数率；最后闪烁体的性能要稳定即在放射源长期的照射下它的福照效应要小。通常应用的闪烁体可分为两大类：有机闪烁体和无机闪烁体。有时又可从物质的物理形态上区分：有固体（晶体或粉末)、液体、塑料（固溶体)、气体（常为惰性气体）等。闪烁体最重要的特性是发光效率和能量分辨，这些都是由闪烁体本身决定。图2.2.2所示为带电粒子在闪烁体中的能量响应曲线，也称为闪烁体的能量响应和能量分辨，一般情况下，闪烁体的能量响应并不是完全线性的，对于本项目应用中，自旋极化的电子的能量分辨曲线是基本线性的。光电倍增管是利用光电效应、二次电子发射及电子光学原理的一种对光灵敏度极高的电真空器件。作为探测弱光的有力手段之一，它的作用是将闪烁体的微弱焚光转变成光电子，再经过多次倍增输出有用的电信号。它的优点有：灵敏度高、噪声低、响应速度快以及放大倍数高等。因此光电倍增管在物理、生物、医学、气象以及宇宙等科学技术的各个领域都有广泛应用，主要用以诊断相关的物理、化学过程。一般光电倍增管有两个重要属性，图2.2.4反应了光电倍增管的灵敏度和入射波长的关系：不同材料的光阴极有不同的响应范围。图2.2.5反应了倍增率和控制电压的关系：控制电压越高，倍增率越大，在相同的触发条件下，输出的电信号越大闻。

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第三章探测仪的电子学设计......... 8
3.1硬件设计需求........ 8
3.1.1高电位信号处理单元........ 8
3.1.2低电位控制显示单元 ........10
3.2高电位信号处理单元设计........ 10
3.3低电位控制显示单元设计........ 25
3.4光纤通信模块 ........31
第四章探测仪软件设计........ 33
4.1软件设计需求........ 33
4.2通信协议和解析........ 34

4.3闭环回路控制算法........ 36
4.4按键显示设计........ 38
4.5反符合两种实现........ 39
第五章系统调试及结果展示........ 42
5.1前置放大器的性能测试........ 42
5.2 RC常数测试 ........  44
5.3探测仪计数性能测试........ 46
5.4结构和安装测试........ 48

第五章系统调试及结果展示

5.1前置放大器的性能测试
在本文第三章，我们介绍了几种不同的前置放大器类型，每种放大器都有不同的应用场合和优势，我们按照理论分析选择了一种前置放大器。该前置放大器在应用中是否具有最好的效果和最优的性能还需加以验证。下面我们就将实际测试两种类型的放大电路。首先我们根据不同的电路形式设计了具体的硬件电路图。具体的电路图和详细的参数如下图所示：图5.1.1为电流灵敏型前置放大器，采用OPA657运算放大器作为电压跟随；图5.1.2为电荷灵敏型前置放大器，也采用FET输入的运算放大器OPA657。在测试中，我们采用相同的触发源、相同的倍增率以及相同的运算放大器，最后用示波器分别去观测前置放大电路输出的波形，对波形的上升沿、脉宽进行比较分析，然后得出结论。比较上面两种输出波形，图5.1.3中电流灵敏型前置放大器的上升沿为40US,脉宽为l00us左右。而图5.1.4中IV变化电路的上升沿只有20ns，脉宽为500ns。并且根据理论分析，我们还可以修改RC常数来调整脉宽。采用电荷灵敏型前置放大器可以获得更好的脉冲信号，灵敏度更高。并且还可以调整脉冲脉宽，具有更好的灵活性。
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结论

本论文主要的研究内容是电子自旋探测仪电子学系统的设计与实现。通过对多道脉冲幅定标仪的组成和工作原理的分析，制作了一套用于电子自旋实验的探测仪电子学设备，该仪器具有以下特点：
1、高速高带宽前端放大器。釆用高带宽、低噪声、FET输入的集成运放构成电荷灵敏型运算放大器。能够快速灵敏的对探测器输出的信号进行脉冲成型和放大。
2、高速ECL甄别电路。能够对探测器输出的信号进行快速的甄别，并且输出ECL电平信号，传播延时为2.5ns，延时抖动为50ps。同时高低阈值可以灵活设置，可以非常方便的统计不同幅度的脉冲数量，从而对实验数据进行处理和分析，得出实验结果。
3、光电接口实现高电位信号处理单元与低电位控制显示单元的隔离和通信。通过低电位控制显示单元可以快捷的修改髙电位信号处理单元的实验变量和记录实验中的数据。USB与PC机相连后还可通过上位机软件控制实验仪器。
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