高計數率多通道核輻射探測器讀出晶片研究

《高計數率多通道核輻射探測器讀出晶片研究》是依託北京大學，由張雅聰擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：高計數率多通道核輻射探測器讀出晶片研究
• 依託單位：北京大學
• 項目負責人：張雅聰
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

高能物理、天體物理及各種粒子或X射線成像實驗日益大型化和複雜化，對核輻射探測技術提出越來越有挑戰性的要求，高計數率便是其中一種。近幾年國內一些單位開展了核輻射探測信號讀出積體電路的研究，但對計數率關注較少。本項目以能量測量型和單光子計數型套用為依託，研究高計數率讀出晶片的設計方法，分析提高計數率帶來的基線漂移、堆積等問題，並探尋解決或減弱這些問題的方法。在此基礎上，設計高計數率能量測量和單光子計數型兩種讀出晶片及配套的讀出邏輯和系統，單通道計數率大於1Mcps(counts per second)。通過晶片研製，除得到一些樣片供實驗用之外，更可獲得高計數率的設計方法，可擴展到時間測量/位置測量等其它核輻射探測套用中，滿足先進核輻射探測技術的需求，對於我國粒子物理與核物理、天體物理、同步輻射等實驗科學領域進入世界先進水平具有極其重要的意義。

結題摘要

本項目分析了影響核輻射探測信號讀出電路噪聲、計數率特性的主要因素，研究了高計數率讀出晶片的設計方法，以及解決高計數率帶來的基線漂移、堆積等問題的方法。電荷靈敏放大器和成形器運放的頻寬、成形器階數和時間常數、極零相消結構等與計數率密切相關，在設計各模組時需要考慮計數率與噪聲、功耗、穩定性等參數間的折衷。課題組曾提出電流反饋的基線保持電路，將輸出電壓與基準電壓的差值轉化為電流反饋到前端，負反饋使得輸出基線電壓保持在基準電壓，本項目對其進行了最佳化，使其可以套用到高計數率條件下。還提出一種利用微分結構的基線恢復電路，將信號通過電容疊加到參考電壓上，而低頻的基線漂移被隔離。這兩種電路都能大幅度減小工藝、溫度等帶來的基線漂移問題。高計數率使電荷靈敏放大器堆積速度加快，輸出端飽和問題變得嚴重，提出一種防飽和電路，通過電容將適量的相反電荷注入到負輸入端，快速地將反饋電容上積累的過量電荷抵消掉，防止電荷靈敏放大器長時間處於飽和狀態。在精心設計電荷靈敏放大器、成形器、甄別器等模組的基礎上，完成了單光子計數型、能量測量型、成像型輻射探測晶片，並針對蓋革-彌勒計數管設計了一款提高計數率的讀出電路晶片，在本項目和負責人承擔的其它課題支持下進行了多次流片驗證。測試結果表明實現了預期目標，多顆晶片在用戶單位試用，特別是單光子計數型晶片已經套用到個人劑量儀中，首批向用戶提供了3萬顆晶片。本項目的部分成果在ICSICT、EDSSC、INEC等積體電路類國際會議上發表論文6篇，編制並獲得批准企業標準1份。通過本項目培養碩士研究生4名，博士研究生1名。負責人所在團隊獲得2016年度教育部科技進步一等獎，本項目貢獻了部分成果。通過本項目的研究，對核輻射探測電路設計理解更加深入，為後續研究奠定了良好基礎，推動了與多家研究所的實質性合作。