μSR谱仪前端电子学原型设计

摘要

自光学显微镜发明以来，为了探测物质的微观结构，科学家们研究出了很多更加先进的技术，比如X射线衍射、电子显微镜、中子散射等。与电子和中子一样，μ子也是自然界中最基本的粒子之一。利用μ子自旋发展而来的μ子自旋旋转、驰豫和共振技术（Muon Spin Rotation，Relaxation and Resonance，简称μSR技术）在原子尺度检测材料结构特别是其微观磁性质方面有着特殊的优势。目前，μSR技术在凝聚态物理与化学方向应用广泛。在近年来重新回热的高温超导研究中更是需要μSR技术作为其结构分析和测量的手段。
　　2015年，中科院高能所计划在中国散裂中子源(CSNS)上建设一台实验型μ子源，并依托于该高强度μ子束开展基于μSR技术的研究。该项目计划研制一套128路正电子位置分辨的μSR谱仪样机，包括探测器、电子学和数据获取系统、样品室磁场。本文主要完成其中电子学部分的模拟前端电路原型的设计。
　　为了提高集成度和定时精度，我们采用了无延迟线恒比定时电路在单宽NIM插件上实现了8路恒比定时甄别器。定时信号使用LVDS输出，电平转换电路将差分ECL电平转换为LVDS电平。整个前端电子学原型采用一块Cyclone系列FPGA作为主控，控制DAC、模拟开关等器件的工作及与TDC板的通信。实现了单独调整每路CFD的预甄别阈值、时间游动的微调、系统的自检和标定等多种功能。对前端电子学原型板的测试结果表明每通道幅度时间游动小于255ps，连接探测器测得定时误差仅为55ps。相比于后端TDC的近600ps的时间测量误差，前端电子学原型定时误差可以忽略不计。
　　近年来，由于探测效率高、尺寸小、受磁场影响小、成本低等优点，新型SiPM探测器在核探测领域得到了越来越多的应用。在前端电子学原型设计工作的基础上，我们还进一步了解了SiPM的工作原理及特性，并对其读出电子学的设计进行了前期调研。
　　本文首先介绍项目的背景、μSR谱仪的原理、谱仪样机的整体设计、定时方法等。重点介绍了μSR谱仪前端电子学原型的设计及重要指标的测试。对于μSR谱仪闪烁体加PMT的探测器方案，前端电子学原型板已实现了设计目标;对于新的基于闪烁体加SiPM的方案，本论文完成了很多有益的前期探索。
　　本论文完成的工作主要有:
　　(1)完成了μSR谱仪前端电子学原型的设计，原型板具有集成度高且定时误差小的优点。测试结果表明，采用无延迟线恒比定时方法设计的前端电子学定时误差约为55ps，原型设计已达到μSR谱仪系统的指标要求。
　　(2)对SiPM探测器的原理、特性以及读出电子学方案进行了深入的调研，为今后利用SiPM探测器实现更多通道数的正电子探测阵列做好了前期准备，完成了电子学方案初步设计、关键器件选型等工作。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 什么是μ子

1．2 中国散裂中子源简介

1．3 高强度μ子源简介

1．4 μSR技术简介

1．5 μSR谱仪研究现状

1．6 谱仪探测器简介

1．7 论文研究内容及章节安排

第二章 μSR谱仪原理及样机方案设计

2．1 μSR谱仪原理

2．2 μSR谱仪样机设计方案

第三章 定时技术研究

3．1 影响定时精度的因素

3．2 模拟定时方法

3．3 数字脉冲处理

3．4 定时技术小结

第四章 前端电子学原型设计

4．1 前端电子学原型设计要求

4．2 前端电子学原型系统方案

4．3 定时模块设计

4．4 控制模块设计

4．5 PCB设计

第五章 系统测试

5．1 系统测试方案

5．2 电子学测试

5．3 连接探测器测试

第六章 SiPM探测器及其读出电子学调研

6．1 SiPM探测器原理及特性

6．2 SiPM读出电子学

第七章 总结与展望

7．1 论文总结

7．2 工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果