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探测器阵列核电子学电路设计

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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4×4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=τc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τopt=τc,则此时信噪比为:阶数m增大,峰值减小,峰位后移。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LYSO3mm×3mm×20mm。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.

作者:张军 杨龙 赵玉秋 单位:东软医疗系统有限公司

探测器阵列核电子学电路设计责任编辑:张雨    阅读:人次