【摘要】：微結(jié)構(gòu)氣體探測器因?yàn)榫哂辛己玫臅r(shí)間和空間分辨率、高抗輻照能力、高增益和可以制作成大面積探測器等優(yōu)點(diǎn),近年來得到快速地發(fā)展,也因此在高能物理實(shí)驗(yàn)、核醫(yī)學(xué)成像、安全監(jiān)測、以及空間天文等領(lǐng)域得到廣泛研究和應(yīng)用。而相比于氣體探測器的快速發(fā)展,相應(yīng)的讀出電路系統(tǒng)研究則相對滯后,因此設(shè)計(jì)適用于氣體探測器的讀出電路系統(tǒng)變的十分重要。為了檢測出探測器中的未知粒子種類及能量等物理特性,需要對粒子在探測器的飛行軌跡進(jìn)行重構(gòu)。因此,需要獲知粒子在探測器中的能量信息E和飛行時(shí)間信息T。而本文設(shè)計(jì)的讀出電路系統(tǒng)正是為了檢測未知粒子所具有的能量信息以及其經(jīng)過探測器時(shí)的飛行時(shí)間信息。通過對大量文獻(xiàn)的閱讀,理解了讀出電路系統(tǒng)探測未知粒子能量信息E及時(shí)間信息T的工作原理,在此基礎(chǔ)上,借鑒國內(nèi)外的研究成果,設(shè)計(jì)出本文的讀出電路系統(tǒng)。粒子讀出電路系統(tǒng)主要包括了前置放大器、電壓比較器、振蕩器、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、邏輯控制電路以及多個(gè)移位計(jì)數(shù)式寄存器。其中,前置放大器采用MOS管開關(guān)放電的反饋電容積分電路,積分電容上的電荷在放電前需要保持一段時(shí)間,以便ADC進(jìn)行采樣;比較器采用具有內(nèi)部正反饋的開環(huán)比較器電路結(jié)構(gòu);振蕩器采用基于反相器的環(huán)形振蕩器結(jié)構(gòu),電路簡單,只需占用較小的芯片面積,可以在每一個(gè)像素內(nèi)集成。飛行時(shí)間T采用時(shí)間-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)進(jìn)行測量,而粒子能量E則通過10-bit逐次逼近式(SAR)ADC進(jìn)行測量。整個(gè)讀出系統(tǒng)是由4×4像素陣列組成,將探測的未知粒子信息二進(jìn)制化后經(jīng)移位寄存器移位輸出。相比于國外的讀出電路系統(tǒng),本項(xiàng)目將用于測量粒子飛行時(shí)間T的TDC精度提高到了1ns(國外時(shí)間精度大于1.5ns);相比國內(nèi)的讀出系統(tǒng),本項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了在芯片內(nèi)部進(jìn)行數(shù)字化后,再對數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出。本文設(shè)計(jì)的粒子探測器讀出電路系統(tǒng)采用TSMC 180nm CMOS工藝,設(shè)計(jì)出的芯片面積為1110μm×1325μm。經(jīng)后仿真驗(yàn)證,芯片工作在電源電壓1.8V,用來測量粒子飛行時(shí)間的TDC精度為1ns,測量的未知粒子能量的動(dòng)態(tài)范圍為1fC~150fC。測量的飛行時(shí)間范圍約40μs。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O572.212;TN79
【圖文】：

倒裝互連[13]

粒子探測器讀出電路系統(tǒng)基路原理統(tǒng)是粒子在探測器中作用產(chǎn)生信號(hào)后，出的系統(tǒng)總成。圖如圖 2-1 所示，探測器的形狀是長方極，腔體中充滿探測用的介質(zhì)。整個(gè)介質(zhì)的讀出電路陣列。當(dāng)帶電粒子快速穿過漂移到像素接收端 PAD 上。由于電荷感應(yīng)號(hào)。流信號(hào)如下圖所示。x 軸和 y 軸分別為探電流的陰影部分面積為粒子在探測器中產(chǎn)探測器開始，到在 PAD 上產(chǎn)生電流的這

圖 2-2 GOSSIP 探測器示意圖[9] 探測器獲取的電流信號(hào)包括電子分量和空穴分量。漂移而空穴分量產(chǎn)生的電流脈沖則相對較長，如圖 2-3 所示圖 2-3 GOSSIP 探測器中產(chǎn)生的電流信號(hào)[9]設(shè)計(jì)來說，探測器的寄生電容是很重要的影響因素。這些內(nèi)的許多因素。在 GOSSIP 探測器中，寄生電容主要由 3容（Cp-grid），PAD 與 PAD 之間的寄生電容（Cp-p）和 PA如圖 2-4 所示。

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本文編號(hào)：2795599