GEM探测器前端读出ASIC的研究

• 作 者: 陆卫国
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院研究生院 中国科学院大学
• 发表日期: 2010年期
• 关键词: 前端读出 同步辐射探测 半导体阵列探测器 辐射成像

近年来,为了适应高能物理实验对高计数率高位置分辨的要求,以硅、碲锌镉半导体阵列探测器和气体电子倍增器GEM(Gas Electron Multiplier)、微网格气体放大器(micromegas)等微结构气体探测器为代表的新型密集阵列探测器发展迅速。其中气体电子倍增器因为具有结构简单、性能优越、读出方式灵活等优点,在国内得到大力发展并被应用于时间投影室TPC(Time Projection Chamber)读出、辐射成像等领域。　　
为了满足北京同步辐射装置(BSRF)的升级对二维X射线成像设备的迫切需求,由三级GEM探测器和传统电子学组成的二维位置灵敏X射线探测系统已经取得了一定进展,急需高密度读出的前端专用集成电路ASIC(Application SpecificInterated Circuit)芯片来进一步提高系统的集成度。同时同步辐射实验的高位置分辨要求和高计数率环境对ASIC芯片的精度和速度提出了挑战。　　
由于国内的辐射探测ASIC研究刚刚起步,本课题在设计前端读出ASIC芯片的过程中,注重于探索相关电路结构和总结电路性能优化方法。从ASIC设计的一般特点和原型芯片的特殊性出发,通过对比分析,选择了一种简洁实用、可调试性强的读出芯片结构。针对前端读出ASIC设计中的关键技术问题--低噪声设计,论文对基于基本模型的前端电路噪声优化方法做了系统的总结。　　
木课题研究工作的主要任务是根据条形读出GEM探测器的输出信号特征和二维位置灵敏X射线探测系统的需求,设计一款在结构、性能、成本等诸多因素之间取得良好折衷的原型芯片GEMROC(GEM Read-out Chip)。论文中给出了关键模块的设计过程、仿真结果和版图实现,仿真结果显示原型芯片的噪声、计数率、动态范围等关键指标达到了设计要求,能够满足GEM探测器前端信号处理的需要。