特征金刚石气体电离室

基于金刚石的同步辐射探测器读出电子学系统研究单位：高能所报告人：陈曦2020/2/2514.目前研究进展与展望1.研究背景2.主要研究内容、预期目标3.采用技术路线、实验方案目录2020/2/2521.研究背景金刚石与气体电离室对比特征金刚石气体电离室抗辐射√材料属性√结构特性线性度√比气体电离室至少大2个数量级–高亮度时非线性穿透性–金刚石厚度决定–所充气体决定位置测量√×快速响应√纳秒响应时间×几十微秒到毫秒集成度√×体积大表1金刚石探测器与气体电离室对比2020/2/253图1电离室工作电压与离子对收集数关系图复合区饱和区2.主要研究内容、预期目标•根据金刚石探测器输出信号的特性（宽范围，微弱电流），完成对于输出信号的收集处理。图2金刚石探测器方案I1I2I3I4DiamondDetectorwindowIsX-ray•探测器采用电极-CVD材料-电极的夹心结构•金刚石作为探测介质，多片金刚石采取组合方式。当需要提高探测效率时，使用多片金刚石并联；当作为光强监测，尽量减小吸收时，采用单片金刚石作为探测单元。主要研究内容2020/2/254•制成能够对于同步辐射光强进行有效监测和探测的金刚石探测器读出电子学系统•可探测电流范围在（10-6-10-9A）2.主要研究内容、预期目标预期目标2020/2/2553.采用的技术路线、实验方案图3采用的实验方案框图I1I2I3I4Is弱电流放大I-V转换I-VA2主放增益调节电流放大器X-raywindowDiamondDetector数据采集ADCFPGAUSBEthernet2020/2/256I/V转换电路采用具有极低输入偏置电流的运算放大器来完成。ADA4530输入偏置电流典型值为±20fA，运算精度高，输入失调电压典型值为8μV输入失调电压温度漂移典型值为0.13μV/℃，特别适合用作微弱信号的前置运算放大。基于I/V变换的弱电流测量方法是常用的弱电流检测方法。其中反馈电流放大型测量电路，结构较简单，线性度很好，电路频率响应特性较好。I0VOUTRf图4I/V转换原理图3.采用的技术路线、实验方案I/V变换理想型运放的情况下VOUT=-I0*RfIBA真实情况下VOUT=-(I0-IB)+(VOSA-VOUT)/A=-Rf(I0-IB)+VOS-VOUT/A由于本实验所面向的电流范围跨度比较大（10-6-10-9A），因此采用了多路复用器（ADG804）来调节一级放大电路的增益，从而能够将各个区间的电流放大到统一的区间（10-1-10-2V)，之后由二级放大电路放大十倍至ADC满量程（0-2V）。图5采用的电流放大系统3.采用的技术路线、实验方案电流放大部分v不同阻值电阻ADA4530ADA4898i2020/2/258图6输入为零时不同增益的初始电压图中可以看出四种不同增益的初始电压经由调零电路调零之后为从1mV至81mV，这种初始电压可以在之后的数据处理模块中给予修正，不会对误差造成太大影响。3.采用的技术路线、实验方案电路仿真2020/2/2593.采用的技术路线、实验方案图7实际电路线性度y=2E+08x+1.8267R²=0.999902004006008001000120000.0000020.0000040.000006系列1线性(系列1)y=2E+11x+6.0808R²=1020040060080010001200140016001800200005E-091E-08系列1线性(系列1)图8仿真电路线性度2020/2/25103.采用的技术路线、实验方案数据采集部分图10ADC处理电路ADS7823单电源供电，低功耗（1.2mw），12-bit，采样率为100KHz以上，并拥有一个串行I2C接口，封装很小（MSOP-8）。在保证实验精度的前提下，来完成模拟信号的数字化。图9ADS78232020/2/2511数据处理部分的功能主要是将ADC数字化之后的数据送到FPGA。经由FPGA甄别信号的强弱来对多路复用器进行选通，并根据选通的不同增益来对信号进行不同程度的修正。图11采用的数据处理系统3.采用的技术路线、实验方案数据处理部分2020/2/2512在规划各种器件摆放时，应根据保证PCB可靠性原则设定各个元件在电路板上的安装位置，核心芯片应摆放离电源和大功率器件最远。每个芯片前应就近配置去耦电容；功率大的器件则要求靠近电源，尽量减小走线长度；在电源部分和放大器的输出部分大面积敷铜。在进行电路板的走线时，先走地线与电源线，数字地、模拟地要分开走线。3.采用的技术路线、实验方案PCB板的设计2020/2/2513•第一版的PCB已经焊接完成，正在进行相关数据的测试工作以备后续的电路改进和优化设计，初步测试结果显示电路的线性度很好，工作频率也能达到要求。后面需要考虑噪声问题。•多路复用器的选择以及ADC与FPGA之间的数据的传输和处理的程序已经仿真完成，等着电路板调通后进行进一步的调试。•采用USB和Ethernet的传输方式来完成数据传输的工作的程序编写也在进行中。4.目前进展与展望2020/2/2514TheendThankyou2020/2/2515