微气隙气体探测器像素型读出电子学系统的研究

摘要

近几十年来，同步辐射装置发展较为迅猛，到目前为止同步辐射光源已经发展到了第三代。目前世界各国的同步辐射装置已采用具有实验效率高、可拓宽实验方法的二维X射线探测器。我国的二维X射线探测器主要依靠向国外进口，价格昂贵，调试不便，且不同的实验需求需要配置不同的探测器，这不仅造成了资源浪费，且效率不高。针对此，中国科学院高能物理研究所早在十年前就开始进行二维探测器的研究，当前研究出的GEM、THGEM以及Micromegas二维气体探测器具备结构简单、成本低、空间位置分辨良好、电荷增益以及抗辐射照性能好等优点，但由于饱和计数率不高，不能被应用到高光强同步辐射中去。
　　本文针对中国科学院高能物理研究所研究的GEM、THGEM以及Micromegas二维气体探测器的不足，利用专用集成电路、高密度阵列芯片以及高速串行输出技术，提出了一套可实现高饱和计数率的微气隙气体探测器专用的读出电子学系统。该系统前端采用电容开关阵列方式读出，读出感应底板上共有4万个Pads，可实现4万个Pads的数据处理，每400个Pads采用串行方式输出，可极大地减少读出电子学通道，降低后端电子学系统设计的复杂度。系统采用多板集成结构，主要由前端数据处理板、数据集中处理板以及PCIE数据采集板组成。前端数据处理板进行数据的采集以及处理，数据集中处理板进行数据的打包汇总处理，后端通过PCIE数据采集板将数据传输到计算机中。
　　本文研究的读出电子学系统，通过测试，具有可靠性高，稳定性好，电子学系统简单，通道数可调，可升级等特点。配备该系统的微气隙气体探测器，可应用于同步辐射装置的X射线探测器、散裂中子源位置灵敏探测器、医学生物学成像以及天体物理实验探测器等领域。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 同步辐射装置简介

1.2 研究背景

1.3 论文结构安排

第二章 气体探测器及其读出方式

2.1 Micromegas气体探测器

2.2 GEM以及THGEM气体探测器

2.3 Micromegas、GEM和THGEM探测器读出方式

2.4本章小结

第三章 系统硬件选择及设计

3.1 系统硬件的框架

3.2 系统硬件电路选择

3.3 GEM400芯片

3.4 GEM400芯片测试板设计

3.5 感应板设计

3.6 本章小结

第四章 读出电子学系统固件设计

4.1 400通道电子学读出系统设计

4.2 6400通道电子学读出系统

4.3 本章小结

第五章 系统以及芯片测试

5.1 400通道系统测试

5.2 GEM400芯片测试

5.3 6400通道读出电子学系统测试

5.4 本章小结

结论及展望

参考文献

致谢

附录A GEM400芯片测试板实物图

附录B 感应板实物图

附录C 前端数据处理板实物图

附录D 数据集中处理板实物图

附录E PCIE数据采集板实物图