基于MCP的光子计数成像数据采集系统的研究

摘要

MCP探测器具有光谱响应窄、噪声低、空间分辨率高等特点。因此，基于MCP的光子计数成像探测器被广泛地应用于粒子探测和空间科学。本文针对这种类型的探测器提出了一种电荷测量方案，获得了较高的空间分辨率。在高计数率下，提出了一套基于硬件的堆积判弃技术，使系统在高计数率下的分辨率提高30％。
　　本文通过分析MCP国内外的研究状况，给出了基于MCP的阳极探测器的优缺点，并且研究了各种类型的位敏阳极，确定了楔条阳极作为收集电荷的阳极。针对于楔条阳极的特征，设计了基于WSA读出阳极的电荷测量方案，设计了前端电路和数据获取成像系统。前端电路主要完成对WSA阳极输出电荷的积分和成形;后端采集卡负责事例的触发、位置译码、成像以及图像存储等等。另外，针对硬件的设计，设计了基于LABVIEW平台的图像采集软件，对硬件进行参数配置、全局出发、读取图像以及图像存储等等。进行了一系列的性能测试，分为前端电子学测试和后端性能测试。测试的结果显示，前端电路的等效输入噪声低于1fC，同时具有较低的增益偏差。搭建了基于MCP的实验平台，在低计数率下，获得了70μm的分辨率。对于高计数率，信号的堆积相当严重。因此，系统的分辨率会极具地降低。鉴于此，我们设计了基于FPGA的堆积判弃模块，有效地剔除了堆积的信号。整个系统克服了高计数率下脉冲堆积的影响。对TGC探测器进行了深入地研究，设计了一套基于真随机数的TGC测试信号源，可以一次性对高达256路电子学通道进行测试，大大提高了电子学测试的效率。另外，我们完成了真随机数测试，提出了评估多bit真随机数优劣的公式。
　　本文的主要创新点包括：⑴系统研究了基于MCP的光子计数成像探测器的特征，发现了影响MCP探测器计数率和分辨率的诸多因素。同时，研究了各种类型的光子探测器特征。⑵针对这种类型的探测器，提出了光子计数成像探测器的总体读出方案，并在该方案下实现了前端电路和后端DAQ的设计。经过一系列的电子学测试后，我们搭建了光子计数成像探测的实验平台，在低计数率下获得了70μm的分辨率。⑶针对高计数率下的信号堆积，提出了一套硬件堆积判弃的设计方案，该设计成功地剔除了堆积的信号，使得系统的分辨率大幅度提高。

目录

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摘要

图目录

表目录

缩略词对照表

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 MCP探测器的国内外研究进展

1．3 基于MCP的光子计数成像探测器技术指标

1．3．1 空间分辨率

1．3．2 计数率

1．3．3 光子成像探测器的具体指标

1．4 本文主要研究内容

第2章 单光子计数成像探测器原理

2．1 光子探测器

2．1．1 光电效应

2．1．2 光电倍增管

2．1．3 光电二极管

2．1．4 雪崩光电二极管

2．1．5 电荷耦合器件

2．1．6 微通道板

2．2 基于MCP的位敏阳极

2．2．1 电荷感应技术

2．2．2 阻性阳极

2．2．3 交叉条阳极

2．2．4 游标阳极

2．2．5 楔条阳极

2．3 基于楔条阳极的MCP探测器研究现状

第3章 基于MCP的光子计数成像探测器的读出方案

3．1 电荷测量方法分析

3．1．1 电荷灵敏放大器

3．1．2 极零相消

3．1．3 滤波成形

3．1．4 幅度提取

3．2 电子学读出总体方案

3．3 前端电子学

3．3．1 前置放大电路

3．3．2 极零相消电路

3．3．3 S-K成形电路

3．3．4 线性放大电路

3．4 后端DAQ设计

3．4．1 单端转差分电路

3．4．2 模数变换

3．4．3 图像存储器

3．4．4 通讯接口设计

3．4．5 高压控制

3．4．6 FPGA设计

3．4．7 电源设计

3．5 图像显示软件

3．5．1 自定义通信协议

3．5．2 VISA读写模块

3．5．3 软件数据流控制

3．6 FPGA逻辑设计

3．6．1 峰值算法

3．6．2 硬件数据流程图

3．6．3 基线求平均

3．6．4 图像译码

3．6．5 坐标修正

3．6．6 图像保存

3．6．7 高压控制

3．6．8 通讯接口

3．6．9 计数率

第4章 系统测试

4．1 前端电子学测试

4．2 数据采集板测试

4．2．1 ADC静态性能测试

4．2．2 ADC动态性能测试

第5章 实验结果及讨论

5．1 暗背景测试

5．2 分辨率

5．3 计数率

5．4 堆积判弃设计

第6章 博士期间的其他工作

6．1 TGC仿真信号源

6．1．1 信号源的整体设计方案

6．1．2 真随机数产生器

6．1．3 FPGA内的逻辑设计

6．1．4 随机数分析

6．2 信号源的性能测试

6．2．1 随机数性能测试

6．2．2 电子学性能测试

6．2．3 网络速度测试

第7章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

附录

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果