针对SiPM探测器的多通道读出电子学设计

硅光电倍增管(SiPM)由于其高增益、高时间分辨、低工作电压、磁场不敏感等优点,在高能物理、医学物理等领域具有广泛的应用前景。该文设计的系统包含前端电子学和数据采集系统两部分:前端电子学板结合商用专用集成电路(ASIC)(VATA64)与复杂可编程逻辑器件(CPLD),能够同时读出64通道的SiPM,板上同时集成了稳定探测器增益的温度补偿电路和标定增益的发光二极管(LED)驱动电路;数据采集系统以现场可编程门阵列(FPGA)为核心,可以同时读出8块前端电子学板,并为SiPM提供编程可控的工作电压(40~100V)。该系统已经应用于由瑞士、德国、美国和中国合作的正负电子气球谱仪(PEBS)实验的电磁量能器原型设计,并在欧洲核子中心(CERN)束线实验取得了良好的结果。该高密度多通道SiPM电子学读出系统可以逐通道调节探测器偏压,调节精度达4mV,调节后各通道增益的差异可小于2%。该系统对于其他SiPM在新型粒子径迹室或量能器的应用具备借鉴意义。     

中国绵阳研究堆CMRR中子散射平台及应用

20 MW中国绵阳研究堆(CMRR)上的中子科学平台,首期建设6台散射谱仪和2台中子成像装置,从2013年以来全部投入使用. CMRR的中子科学平台,可分别从事热、冷中子散衍射实验测试.实测用于中子散射实验的热中子注量率为2.4×10~(14)n cm~(-2)s~(-1),冷中子注量率为10~9n cm~(-2)s~(-1).首期运行的谱仪分别为:高分辨中子衍射仪(HRND)、中子应力分析谱仪(RSND)、高压中子衍射仪(HPND)、小角中子散射谱仪(SANS)、飞行时间极化中子反射谱仪(TPNR)、冷中子三轴谱仪(CTAS)和冷/热中子成像装置(CNR).此外,二期有8台自主建设的谱仪,将在未来2–5年内建成并投入使用.目前CMRR每年运行超200天,其中提供给用户的束流超60%.本文重点介绍了CMRR中子科学平台及其在软物质、磁性膜材料、航空、基础物理等领域的典型应用.     

楔条型位置灵敏探测器的特性

为提高电子动量谱仪的效率 ,研究了大面积楔条型阳极位置灵敏探测器的位置成像和时间特性 ,并和其他类型的位置灵敏探测器进行了比较。给出了为电子动量谱仪设计的基于微通道板的位置灵敏探测器的结构 ,测试了探测器的位置成像性能 ,提出了一种从后一级微通道板出射面引出快信号的新方案 ,得到了在 4 0 m m灵敏范围内位置分辨率为12 1μm和对 (e,2 e)事件符合时间谱的时间分辨率为 4 .3ns。该楔条型阳极位置灵敏探测器可以很好地满足电子动量谱仪对电子的位置和时间的测量要     

闪烁晶体阵列中光子输运过程的Monte Carlo模拟

为了验证MicroSPECT系统的探测器的设计方案,使用DETECT2000进行闪烁晶体内光子输运过程的Monte Carlo模拟。MicroSPECT系统探测器部分使用4个探测面积为49 mm×49 mm的位置灵敏光电倍增管H8500拼接组成。与之配合的闪烁晶体阵列的面积为103.75mm×103.75mm,像素大小为1.45mm×1.45mm。电子学电路通过位置权重法计算闪烁事件发生的位置。结果表明,闪烁晶体阵列中有效成像像素为55×55,且光电倍增管的拼接部分仍然具有探测能力,初步证明了该系统设计的可行性。     

在中子管上加装α粒子探测器

讨论了在中子管上加装α粒子探测器的一些问题，给出了在中子管上加装α粒子探测器的具体方法：用在玻璃表面涂闪烁材料（ＺｎＳ（Ａｇ））的方法制成了适合中子管制作工艺条件的α粒子探测器；并对α粒子探测器和带α粒子探测器的中子管的性能做了讨论。     

THGEM位置灵敏探测器读出系统

采用专用集成芯片设计了基于厚气体电子倍增器THGEM的热中子位置灵敏探测器读出电子学系统,实现电荷信号的放大、整形,采用高速模数转换芯片AD9220进行采集,采用USB通信实现数据传输,采用FPGA作为读出系统的总控制器,实现了探测器的阵列电荷信号读出;得到读出系统通道输入输出线性响应关系,在±15fc之间线性关系良好;实现了位置信息重心读出;探测器最高计数率达1×10~5/s.     

14.7MeV中子在~(238)U和Cu核上的小角散射测量

从1961年报道了快中子在铀核上小角散射“异常”加强,球形光学模型无法给予解释以来,小角散射引起了人们的注意.本文在文[1—8]的基础上,使用文[7]建造的快中子位置灵敏谱仪和伴随粒子飞行时间谱仪,测量了~(-38)U和Cu的小角散射微分截面.一次测量可获取一组角度的相应截面值.     

14.7MeV中子在铅上小角弹性散射测量

利用快中子位置炅敏谱仪和伴随粒子飞行时间技术测量了14.7 Mev中子在Pb上的小角弹性散射微分戴面、给出了2.7°—9.9°角区与最新发表的实验数据比较一致的微分截面值,证明利用长液闪快中子位置炅敏谱仪新技术测量小角散射是可行的。     

基于碳化硼慢化体和涂硼微结构中子探测器的通用中子能谱仪设计和解谱方法研究

本文提出了一种基于碳化硼慢化体和涂硼微结构中子探测器的通用中子能谱仪设计方法, 获得了计算最优慢化体厚度和探测器响应函数的通用公式, 并用蒙特卡罗方法进行了验证和修正, 可实现对中子能谱仪的快速设计. 该类能谱仪可实现各中子响应函数之间的解耦, 使每个探测器对各个分立能量区间的中子最为敏感, 具有较强适用性和灵活性. 基于该方法, 我们设计了一个用于硼中子俘获治疗（BNCT）超热中子能谱测量的能谱仪, 通过Gravel算法实现了中子能谱解析, 并提出了一种具有良好普适性的基于响应函数的预置谱设置方法. 结果表明, 该能谱仪对单能中子的峰位解析精度约为1%, 对BNCT连续谱的解析均方差约为0.76%, 具有较大技术优势和可行性.     

中国先进研究堆中子科学谱仪首获衍射图像

8月21日,中国原子能科学研究院中国先进研究堆中子科学谱仪首次获得衍射图像,业内人士表示,这表明谱仪安装的位置基本正确,已具备开展科学实验研究工作的条件。当天下午13时左右,中国先进研究堆启动,功率逐渐提升、中子束流出现,10多分钟后,该院核物理所中子散射实验室李峻宏博士高呼:"应力谱仪出峰了!"图像显示,衍射峰的形状、宽度、信噪比情况均好。从事中子散射工作30余年     

LHAASO-WFCTA读出电子学系统架构设计

广角切伦科夫望远镜阵列（Wide Field of View Cherenkov Telescope Array,WFCTA）是大型高海拔空气簇射观测站（Large High Altitude Air Shower Observatory,LHAASO）的主要探测器阵列之一,其物理目标是完成30 TeV到几个EeV的宇宙线能谱测量. 望远镜读出电子学系统包括1 024个通道,需要处理的信号既有脉宽为几十ns的切伦科夫信号,又有脉宽为μs的荧光信号. 本文详细介绍了望远镜读出电子学系统的架构设计,为了减少数据量,设计了在线触发的事例筛选架构：在子模块电子学上先进行第一级硬件触发,再在触发电路上实现事例触发. 同时该电子学系统采用了4点压缩的方式获取波形数据,覆盖波形宽度为2.24 μs. 实验室测试结果表明：读出电子学系统可以正确获取信号波形,电荷测量的动态范围可以覆盖10 P.E.(Photon Electron)到32 143 P.E.,高增益通道和低增益通道的重叠区从857 P.E.到1 714 P.E.,高低增益比值与设计相符,电荷分辨率在10 P.E.时优于20%,在32 000 P.E.时优于5%,相对偏差在10 P.E.时优于5%,在32 000 P.E.时优于2%,该读出电子学系统满足设计要求.     

高集成度自动化γ能谱仪

针对核反应堆安全壳内γ射线在线监测需求,本文设计了一款高集成度、低功耗、高分辨、长续航、可自动测量的γ能谱仪.谱仪选用了高分辨率LaBr_3(Ce)闪烁体探测器,并且设计了有源锥形分压电路为探测器供电,从而提高谱仪的能量响应动态范围.同时设计了低噪声电荷灵敏前置放大器电路对探测器输出信号进行放大,并匹配设计二阶有源低通滤波电路,将前端信号成形为准高斯脉冲信号.采用STM32L4系列微处理器设计了高集成度的多道脉冲幅度分析电路,完成脉冲信号的模数转换和在线数据处理,获得γ能谱.另外,本文还基于CC228P-09Y小型高压电源模块设计了低噪声高压电源电路为LaBr_3(Ce)探测器提供高压;利用STM32L4处理器设计了锂电池供电的电源管理电路,使得谱仪可以实现自动开启工作模式或进入待机模式,从而实现长续航时间自动γ能谱测量功能.对谱仪进行性能测试得到:谱仪能量分辨率为3.0%(@662 keV),且能量响应积分非线性为9.5%,能够长期稳定工作,具有低功耗长续航时间等特点.     

随钻中子He3管探测器抗干扰的改进设计

He3管探测器是随钻中子测井仪器中的关键部件,它采集数据的准确性直接影响着整支仪器的性能。随钻中子He3管探测器在安装和测试过程中,会存在很多干扰,从信号采集过程、电路工作原理、制造工艺等方面入手,改进了抗干扰设计,极大地提高了随钻中子He3管探测器的抗干扰性能,保证了采集数据的准确性。     

像素碲锌镉探测器低噪声读出芯片设计与测试

为了解决像素碲锌镉探测器的高密度和低噪声读出问题,设计了一款8通道的低噪声前端读出芯片。每个通道由两级电荷灵敏前放、4阶半Gauss成形电路和输出驱动放大器组成。芯片采用了0.35μm CMOS工艺完成了流片测试,单通道的电荷增益为65～260mV/fC,成形时间调节范围为1～4μs,测得的最好等效噪声电荷为200e。连接碲锌镉探测器后测得241 Am和57 Co全能峰的能量分辨率分别为9.6%和5.9%。初步测试结果表明:芯片的各项功能都正常,噪声的实测结果与仿真结果比较吻合,但探测器的漏电流以及输入端寄生电容使得其电子学噪声显著增加。     

三氟化硼Bonner多球谱仪的中子源能谱测量方法

为解决~3 He气体短缺且价格日益昂贵所造成的中子能谱测量装置灵敏元缺乏问题,研制了一套BF3正比计数管多球谱仪系统。基于蒙特卡罗方法对Bonner多球谱仪系统的细致结构进行建模,模拟计算得到了探测器能量响应灵敏度;在中国原子能科学研究院的高压倍加器上使用2.86MeV与14.84MeV能量的中子对谱仪系统的探测器能量响应灵敏度进行了标定,结合模拟结果确定了谱仪系统在实验条件下的能量响应灵敏度;使用此谱仪系统对241 Am-Be中子源能谱进行了测量,对多球谱仪测量结果使用自编Gravel算法进行逆卷积解谱,解谱所得能谱与~(241)Am-Be中子源标准能谱的对比结果表明,在总体不确定度小于21.46%的范围内二者符合良好,验证了整套多球系统具有较高的可靠性。该三氟化硼多球谱仪系统有望在加速器、反应堆及同位素中子源环境的中子能谱与剂量检测中得到更为广泛的应用。     

籽晶保护条件下铈掺杂溴化镧晶体生长及其性能

为定向生长出铈掺杂溴化镧（LaBr3:Ce）晶体,改进了坩埚下降法,并在籽晶接种过程引进冷却气体的保护装置。生长出的LaBr3:Ce晶体在137Cs放射源辐照下,其能量分辨率为3.08%,衰减时间为20.1 ns。采用多通道DRS4采集系统,以XP20D0型光电倍增管耦合 Ф 20 mm×5 mm 溴化镧器件作为开始道探测器,H8500型光电倍增管耦合LaBr3:Ce阵列作为被测停止道探测器,放射源为22Na（511 keV）。制备了6×6的LaBr3:Ce阵列,单根晶体条的尺寸为2 mm×2 mm×15 mm。利用数字化波形分析法,获得阵列的清晰二维散点图和一维位置谱,阵列x和y方向的位置分辨率分别为1.01 mm和0.89 mm。制备出的LaBr3:Ce晶体具有优异的能量分辨率和位置分辨率,可以应用于PET等医学成像技术领域。     

14.7MeV中子在Al核上的小角弹性散射微分截面

小角区实验测量难度较大,技术要求高,因此,小角数据多半是根据中间角区数据理论外推所得.但有些实验数据与理论计算不符.金属铝及其合金具有较低的热中子吸收截面,有较好的抗腐蚀性能和加工性能,价格低廉,在反应堆中得到广泛应用.我们应用快中子位置灵敏谱仪,测量了14.7MeV中子在铝核上的小角散射截面.所得数据,用蒙特卡罗(Monte-Carlo)方法进行中子通量衰减、多次散射修正,与国外发表数据相比较,符合较好.     

八通道高分辨飞行时间谱仪系统研制

核脉冲信号的时间谱是粒子物理与原子核物理等研究领域所需获取的基本实验信息.在惯性约束聚变（ICF, Inertial Confinement Fusion）中子能谱分布的测量中要求时间分辨谱仪具有多通道同时测量的功能.为此, 研制了一套八通道高分辨飞行时间谱仪系统.该系统采用恒比定时方法进行时间检出;ACAM公司生产的TDC GP2时间测量芯片作为时间测量的核心部件;可编程逻辑器件（FPGA, Field Programmable Gate Array）通过串行外围接口（SPI, Serial Peripheral Interface）控制4片TDC GP2芯片实现了八通道时间间隔测量.使用信号发生器对系统进行了时间分辨能力的测试和标定研究, 其电子学时间分辨率可达60ps.     

红外探测器与读出电路耦合方法研究

红外焦平面阵列是现代红外成像系统的关键元件，不论是混合式还是单片式红外焦平面阵列，都需用读出电路来多路传输信号并减少阵列输出信号的数目。该文综述了红外焦平面阵列的发展现状；分析了焦平面输入电路在红外探测器和读出电路之间耦合的重要性；初步探讨了在红外探测器与读出电路之耦合方法；讨论了在器件优化设计中，如何合理选择焦平面输入电路方式。     

纳米SiC颗粒SAXS表征及其与 XRD、SEM的比较

对在不同工艺下制备的两组纳米SiC颗粒分别进行了小角X射线散射(SAXS)、X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)测试．结果显示，两组颗粒试样存在尺寸和粒度分布差异，不同测量方法所包含的信息各有侧重．利用二维探测器XRD系统进行了SAXS和XRD测量，探讨了该系统在SAXS测量中的数据采集和处理方法，对这些测试结果及其与SEM的结果进行了综合分析比较．发现SAXS更适合于样品尺寸的总体状态表征。能提供更丰富的信息，计算结果更可靠．