钙钛矿X射线探测器的前置放大电路设计

摘要

利用X射线高穿透性的探测方式能够对材料内部进行成像，因此X射线探测在安防安检、工业探伤和医疗诊断等众多领域得到了广泛应用。使用直接探测成像的数字化平板探测器已经成为实现高空间分辨率X射线成像的首选技术手段。以MAPbX3(MA=CH3NH3,X=Cl,Br,I)为代表的卤素钙钛矿具有比商用非晶硒(α-Se)平板探测器更好的稳定性、更高的灵敏度以及易低成本制备大面积器件等优势，极有希望代替α-Se成为下一代X射线直接探测材料。 数字化探测的必要条件是对探测器所得信号进行模数转换，以实现计算机识别。由于探测器对X射线的响应十分微弱（典型值为百皮安量级），因此在进行模数转换之前，应使用前置放大电路来放大探测器的输出信号，以确保放大之后的信号在随后的传输过程中不会被噪声淹没，同时也满足模数转换对数据幅值大小的要求（典型值为毫伏量级）。本文对钙钛矿X射线探测器的前置放大电路进行研究，完成前置放大电路设计，实现对钙钛矿X射线探测器输出信号的放大，使得探测所得电信号易于被后端电路接收并进行下一步数据处理。 本文从X射线探测的基础理论出发，先后介绍了X射线的产生机理，数字化X射线探测系统以及钙钛矿材料的物理特性。随后以实验室制备MAPbBr3单晶为探测器，基于直接探测的信号读出方式，采用以AFE0064为积分型运算放大器、STC89LE52型单片机为控制单元、CH340为数据传输模块的前置放大电路设计方案。该设计方案可以同时检测并放大64通道探测器的输出信号。 设计方案围绕硬件电路进行开发，包括芯片选型、电源管理、电路原理图绘制等方面，并详细介绍了硬件电路各模块的工作原理。软件方面，使用C语言完成时序信号的编程，以满足时序逻辑的要求。 最后，进行电路实物测试，测得前置放大电路的增益约为1.5GΩ，能够满足信号放大需求。同时分析电路噪声的来源，建立数理统计模型以计算电路噪声的大小，最终得到前置放大电路的信噪比约为47.37dB。

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