探测器阵列核电子学电路设计

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1、探测器阵列核电子学电路设计探测器阵列核电子学电路设计 2019/03/21 摘要：根据探测器输出信号的特点，设计出基于探测阵列的核电子学读出电路。通过分析电路原理进行整体的电路设计，包括重心定位电路、整形电路及甄别电路等模块的设计。实验证明，该电路具有较强的可行性，可应用于多种探测器，为此类电路的研究提供理论参考。关键词：探测器阵列；核电子学；读出电路引言探测器阵列是微光检测装置，被广泛用于核物理、医学影像及生命科学等前沿学科。核电子学是结合电子学和核科学而产生的交叉学科。核电子学的内容包括：高能物理和核技术中有关核辐射探测的电子技术；核技术应用中所需的核电子技术1。基于核电子学，读出电路是探

2、测器阵列信号的检测和处理装置，可从电信号中提取携带的核素和核反应信息，如幅度代表粒子能量、计数率代表辐射强度及时间代表粒子飞行的速度、路迹等。1重心定位电路原理分析重心定位电路的基本工作原理是探测器阵列从抽头接入电阻网络，在电阻网路的4个对角线分别引出A、B、C、D四路微弱信号给前置放大器。利用重心法检测位置信息2，重心定位电路的整体原理如图1所示。探测器阵列由44的半导体探测器组成。探测器在Bias偏置电压的作用下，检测到光子射入时发生雪崩击穿。通过猝灭电子产生脉冲电流，并注入到电阻网路的抽头上。探测器阵列中的通道数量很大，若通过一对一的读出电路读出，将导致探测器阵列的核电子学读出电路规模庞

3、大，且增加功耗。利用这种电阻网络组成的重心定位电路，将探测器阵列的电信号从4个对角线分别引出3。位于4个对角线的放大器分别将输出的电流脉冲放大成电压信号。根据式（1）分别求出被击中的探测器阵列的位置坐标(X,Y)。2核电子学读出电路设计与实现核电子学读出电路采用单片集成的方式，芯片上同时分布重心定位电路、采样电路、甄别电路、偏置电路及FPAG处理电路五部分，整体架构如图2所示。由图2可知，重心定位电路分别输出A、B、C、D四路信号到4个独立的采样电路和甄别电路。采样电路由CR-RC电路和模拟积分器组成，用于将指数脉冲整形为类高斯形，并经模拟积分器得到平稳的电荷峰值，从而使脉冲携带的能量被ADC

4、精确采样。甄别电路由阈值设定DAC和过阈触发器组成，脉冲信号超过阈值时被触发形成定时信号。高压电源偏置电路通过DAC设定探测器阵列的偏置电压，通过适当调节偏置电压可改变探测器的输出增益，保持所有探测器输出幅值一致。2.1整形电路探测器电路的输出电流脉冲伴随有噪声。当探测器的电流脉冲近似为冲击信号且前置放大器中的趋于无穷时，滤波器的输入噪声电压为：在最大信噪比下采样电路采集信号。时间常数RC=c的CR微分电路可作白噪声化滤波器。CR电路替代具有低通特性的白噪声化滤波器，RC积分电路替代具高通特性的匹配滤波器。CR-RC滤波器存在最佳时间常数opt=c，则此时信噪比为：阶数m增大，峰值减小，峰位后

5、移。当m时，呈高斯形；当m=4时，输出接近高斯形。所以，一般采用CR-(RC)4整形电路。在最佳信噪比下，阶数m增大，峰值建立时间减小，脉冲宽度变窄。在高计数率下，CR-(RC)m整形电路可减少脉冲堆积的发生，提高能量分辨率。随着阶数的增加，能量畸变增加，这与提高能量分辨率是矛盾的，需要采取折中办法。2.2甄别电路在核电子学读出电路中，甄别电路用于识别有效的探测器脉冲，并产生定时信号给TDC以测量时间。甄别电路由阈值设置和过阈触发电路组成，其定时误差源于时间游动、时间晃动及时间漂移3个因素。时间游动称为Timewalk，是输入脉冲幅度和波形变化引起测量电路输出产生时间的移动，包括幅度变化和上升

6、时间变化。时间晃动称为Timejitter，是探测器输出信号的统计性涨落（如渡越时间分散）和噪声引起测量电路输出产生时间的统计性涨落。时间漂移称为Timedrift，是测量电路和探测器中对温度、电源电压敏感及易老化的元器件引起的时间测量误差。这种误差是一种慢变化误差。输入甄别器电路的信号为：V1为信号幅度，tM为信号达峰时间。前沿触发时间为：当探测器接收同一种粒子时，输出脉冲上升时间相同而幅度不同，触发时间将沿时间轴产生游动，如：2.3电路实现设计电路的模型和原理图后，可实现整个读出电路。按照原理图构建元件电路，由于核电子学读出电路用于时间测量，要求每个信号通道传输线严格等长。前级放大器应靠近

7、探测器摆放，尽量减少寄生。通道间保持足够间隙，保证有效的隔离度，避免串扰。整形和模拟积分电路与ADC的模拟端就近放置，与后面的FPAG电路距离较远。放置数字信号促使采样通道的噪声增加，高速数据总线应保证信号完整性。信号线下面设置完整的地平面，电源需用内垫层分割。3电路测试结果探测器阵列核电子学读出电路的PCBA在实验室屏蔽间测试能量分辨率，放射源为Na-22点源，晶体为LYSO3mm3mm20mm。通过实验得到核电子学读出电路的能量分辨率和散点图，如图3所示。读出电路除信号信息外，还需考虑噪声数据的信息。通过实际电路的实验室测试，充分证明该电路的可行性。4结论探测器阵列在各个领域都有极其广泛的应用，研究探测器阵列中的核电子学读出电路意义重大。目前，读出电路逐渐成为探测器阵列性能的决定性因素，可为此类技术的研究提供参考。参考文献：1刘永涛，李欣幸，张志鹏，等.太赫兹探测器读出电路的单电子晶体管制备J.太赫兹科学与电子信息学报，2017，15（1）：15-20.2罗木昌，孙建东，张志鹏，等.基于AlGaN/GaN场效应晶体管的太赫兹焦平面成像传感器J.红外与激光工程，2018，1（3）：15-21.3周同，何勇，赵健，等.一种用于非制冷红外焦平面阵列的低噪声高均匀性读出电路J.红外与毫米波学报，2018，37（3）：261-268.