论文部分内容阅读
现代社会中，核物理和粒子物理的实验方法已经广泛应用与自然科学的各个领域。与此同时，作为其实验方法实现、研究手段而存在的粒子探测技术，也在不断地进步与发展。而气体电子倍增器(Gas Electron Multiplier, GEM)代表着新一代微结构气体探测器，自上世纪九十年代诞生以来，首先在高能物理领域内展开研究。之后，凭借其高计数率、高增益、读出方式灵活等许多出色的性能，GEM探测器在很多其他领域，如同步辐射探测、天体物理实验、医学成像探测、中子束流监测等领域的研究也取得长足发展。其读出电子学已经成为制约探测器发展的瓶颈，而专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)无疑是最适合新型探测器读出的技术。它有着体积小、集成度高、功耗低、容易与微小探测器连接、并且可以为探测器定制等优点，已经成为探测器读出电子学研究的趋势，正在为高能物理、粒子物理实验带来新的、革命性的改变。国外在探测器读出ASIC方面的研究已经有多年的历史，成熟的ASIC芯片也已经被广泛应用。相比之下，国内的ASIC研究无论在创新性研究还是在应用型研究等各个方面全面落后于国外的发展，无法满足自主研发的新型探测器的发展需求。因此，近年来，由于国家的支持和各位高能物理人的积极参与，对探测器读出ASIC的研制已经成为国内高能物理界一个重要的研究内容。本论文就是在这种形式下提出并被立项进而研究的，本文在国内其他高能物理读出芯片研究同行的基础上，进行了相关的探索和研究，研制了一款适用于GEM探测器的PAD计数型读出芯片，并提出了一些有意义的论述和建议，供后来的研究者参考。 本文首先阐述了GEM探测器的基本原理、构造和特点，并给出其对读出电子学的相关需求。在广泛参考国内外相同类型芯片的基础上，结合探测器的实际性能、信号特点、输出电容等，提出了本文中芯片研制的整体框架。本文研制的芯片与探测器采用直流耦合的方式直接相连，经过电荷灵敏前置放大器将电荷信号转换为电压信号，然后以处理电压信号的方式对后续信号进行处理，从原理上简化了设计。芯片共包含64通道，主要可以分为模拟电路和数字电路两部分。模拟通道中除了电荷灵敏前置放大器之外，每个通道还包括了电荷倍增结构、极零相消电路、滤波成形电路、甄别电路等，数字电路功能由硬件描述语言实现功能后映射到实际工艺中去。信号经过滤波成形电路做之后，与外部电路给定的阈值相比较，即可实现输入有效电荷信号的甄别。最终芯片的模拟电路部分给出64个并行的脉冲波形信号提供给数字电路做进一步的处理。芯片的阈值为全局阈值，由外部电路给出，该阈值根据实际应用范围的不同以及探测器性能的区别可以调节，用来控制电荷信号的搜集和甄别输出。若超过该阈值，即可认为该输入电荷信号为有用的信号，反之即可认为该输入电荷信号为无效信号，应该丢弃。数字电路部分用于实现本文研制的芯片中的数字功能，主要实现前端64模拟通道输出数字信号并行到串行的转换、给出模拟通道的过阈总数以及提供数据同步做进一步处理的同步信号等，用来标志从第一到第六十四通道的位置所在;数字电路所需的时钟信号由外部电路根据实际需求给出。整体芯片输出数字信号，可供FPGA直接压缩处理，而不再需要每通道配置一个ADC，极大的减小了下级电路的负荷、方便了后续信号的处理、提高了系统集成度、同时提高了应用前景。本文对封装后的芯片进行了系统、全面的测试。测试结果表明，芯片工作正常、功能正确、性能优良，由于工艺偏差引起的静态工作点和幅度的偏差在模拟电路设计可以接受的误差范围之内，芯片设计能够满足GEM探测器对电子学的要求，与仿真结果符合、达到预期的设计目标。