【摘要】：以碲鋅鎘(CdZnTe)探測器為代表的新型半導(dǎo)體輻射探測器,因其具有較高的射線吸收率和能量轉(zhuǎn)換率,可實(shí)現(xiàn)對超微量X/γ射線的高效檢測,特別是可以在常溫下使用。在環(huán)境放射性監(jiān)測、礦物和地質(zhì)勘查、安全檢查、生物醫(yī)學(xué)成像、空間探測以及高能物理實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域,CdZnTe探測器均具有廣闊的應(yīng)用前景。前端讀出專用集成電路的功能是將探測器輸出的微弱電信號進(jìn)行放大、成形和數(shù)字化,要求其具有低噪聲、高精度、高速度、小面積、低功耗以及抗輻射等特點(diǎn)。本論文研究與設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用于CdZnTe探測器系統(tǒng)的前端讀出專用集成電路,完成的主要研究工作如下:1.研究了半導(dǎo)體輻射探測器的信號讀出與處理技術(shù)以及前端讀出電路的單片集成技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)低噪聲,對前端讀出電路的主要模塊進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究,包括前置放大器、漏電流補(bǔ)償電路、極零相消電路、濾波成形器、峰值采樣和保持電路、時間標(biāo)記電路等。另外,分別針對便攜式輻射探測儀以及輻射成像系統(tǒng)的應(yīng)用需求,對前端讀出芯片的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。2.針對便攜式輻射探測儀以及空間探測等應(yīng)用背景,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一款低噪聲單通道前端讀出芯片。該芯片的能量通道采用前置放大器、濾波成形器、輸出緩沖器的精簡結(jié)構(gòu),并在前置放大器和濾波成形器的電路設(shè)計(jì)中進(jìn)行了噪聲優(yōu)化,具有低噪聲、低功耗、高線性度、抗輻射等特點(diǎn)。測試結(jié)果表明,該芯片的最大能量輸入范圍為200 keV,非線性度小于2%,輸入等效噪聲僅為52.9 e~-,單通道功耗小于2.4 mW,與CdZnTe探測器聯(lián)合測試時對~(241)Am輻射源的能量分辨率為5.9%,芯片的抗輻射能力滿足空間應(yīng)用的要求。3.針對生物醫(yī)學(xué)成像、安全檢查以及高能物理實(shí)驗(yàn)等應(yīng)用背景,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一款用于輻射檢測和成像系統(tǒng)的低噪聲64通道前端讀出芯片。采用內(nèi)含雙源極跟隨器的前置放大器以及高階有源濾波器,并使得輸出波形接近于高斯波形,有利于提高讀出速度。同時,采用模擬時序控制電路以及多種串?dāng)_隔離技術(shù)減小了開關(guān)噪聲的影響。測試結(jié)果表明,該芯片的增益為200 V/pC,非線性度小于1%,單幀信號的讀出速度約為10μs,通道間的不一致性小于2.64%,串?dāng)_僅為0.22%,輸入等效噪聲為66 e~-,單通道功耗小于8 mW,與CdZnTe探測器聯(lián)合測試時對~(241)Am源的能量分辨率可達(dá)到4.4%,可用于檢測能量低于200 keV的X射線和軟γ射線。4.研究了前端讀出芯片的抗輻射加固設(shè)計(jì)技術(shù)。在芯片設(shè)計(jì)中,分別采用了版圖級和電路級的抗輻射加固技術(shù)。在版圖層面,采用環(huán)形柵結(jié)構(gòu)的NMOS晶體管并在其周圍加入P~+保護(hù)環(huán)以提高抗總劑量效應(yīng)的能力。另外,通過在NMOS和PMOS晶體管之間加入P~+型與N~+型的保護(hù)環(huán)以提高抗單粒子閂鎖的能力。在電路層面,對商用CMOS數(shù)字單元電路進(jìn)行了結(jié)構(gòu)上的改進(jìn),并采用了具有雙互鎖存儲單元的D觸發(fā)器,以消除數(shù)字電路中的單粒子瞬變和單粒子翻轉(zhuǎn)錯誤。5.為了減小由于探測器中電子與空穴遷移率不同對輻射檢測系統(tǒng)能量分辨率的影響,設(shè)計(jì)了一款與前端讀出電路相匹配的上升時間甄別電路。該電路能夠根據(jù)所設(shè)定的時間閾值對輸入信號進(jìn)行篩選,且時間閾值可調(diào)。典型仿真結(jié)果表明,該模塊電路能夠準(zhǔn)確地去除寬度大于400 ns的輸入脈沖信號,且時間分辨率小于20 ns。本論文的主要創(chuàng)新點(diǎn)如下:1.基于對前端讀出系統(tǒng)噪聲性能的理論分析與推導(dǎo),提出了一種低噪聲前端讀出電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。該設(shè)計(jì)方法從理論出發(fā),針對具體的應(yīng)用需求,從核心運(yùn)放結(jié)構(gòu)、輸入管尺寸選擇、電路結(jié)構(gòu)調(diào)整、達(dá)峰時間計(jì)算、電源噪聲抑制等方面,對前端讀出電路進(jìn)行結(jié)構(gòu)與參數(shù)的優(yōu)化,以實(shí)現(xiàn)前端讀出電路噪聲性能的最優(yōu)化。2.提出了一種適用于多通道前端讀出電路的雙輸出電荷靈敏放大器電路結(jié)構(gòu)。該電路中,以折疊式共源共柵放大器為核心,并選用源極接地的PMOS晶體管作為輸入管,有效地降低了電源以及環(huán)境噪聲對電路的影響。同時,采用共柵放大管柵極接地的方式,有效降低了通道間的串?dāng)_。并且在該電路輸出端引入了雙源極跟隨器,對反饋網(wǎng)絡(luò)的連接方式也進(jìn)行了調(diào)整,提升了讀出電路的處理速度,并且增強(qiáng)了電路的抗干擾能力和各通道間的一致性。3.由于CdZnTe探測器中電子與空穴的遷移率具有顯著差異,粒子入射位置不同會對輻射檢測系統(tǒng)的輸出信號幅度產(chǎn)生影響,使其能量分辨率下降,另外探測器晶體中的晶格缺陷也會加劇這一現(xiàn)象。本文提出了一種與前端讀出電路相匹配的上升時間甄別電路。通過甄別探測器輸出電流脈沖信號的寬度,判斷其中電子與空穴的貢獻(xiàn)比,并以此對能量通道的輸出信號進(jìn)行進(jìn)一步篩選,從而提高整體系統(tǒng)的能量分辨率。本文基于上述創(chuàng)新技術(shù),采用商用CMOS工藝,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了兩款分別用于便攜式輻射探測儀以及輻射成像系統(tǒng)的前端讀出芯片。所設(shè)計(jì)的芯片具有低噪聲、低功耗、高線性度、高一致性、抗輻射等特點(diǎn)。本文的研究成果對于探測器微弱信號的低噪聲前端讀出微電子學(xué)具有一定的理論意義,對于研發(fā)基于半導(dǎo)體輻射探測器的X/γ射線檢測與成像系統(tǒng)具有重要的工程實(shí)用價值。
【圖文】：

西北工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文展了相關(guān)領(lǐng)域的研究工作，以黑洞、中子星等天體為觀衛(wèi)星（X-ray Timing and Polarization，XTP）的相關(guān)研具有大探測面積（30000 ~ 40000 cm2）和寬能量范圍（天文衛(wèi)星，計(jì)劃搭載高能 X 射線望遠(yuǎn)鏡、低能 X 射線高能 X 射線偏振望遠(yuǎn)鏡和低能 X 射線偏振望遠(yuǎn)鏡等五測 X 射線天體的多波段快速光變，探測 X 射線源的偏體中的物理規(guī)律和高能輻射過程，以及研究銀河系的彌TP 衛(wèi)星正處于關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)以及工程研制階段，計(jì)劃

圖 1-2 螺旋徑跡探測器示意圖[14]監(jiān)測011 年日本福島核電站事故以來，人們開始普遍關(guān)注環(huán)境放射建筑物內(nèi)部裝修引起的放射性污染監(jiān)測。因此，，各種便攜式 X價格低、數(shù)字化、低功耗、抗干擾的特點(diǎn)，受到越來越多的消儀還被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)添圖、無損探傷、礦物分析等領(lǐng)域[15]攜式能譜儀而言，在便攜性、集成化、低功耗等方面有著很高領(lǐng)域比較知名的公司有 BNC、TSA、ORTEC、CANBERRA、ms、XRF Corp 等[16-17]，圖 1-3 給出了幾款便攜式能譜儀的產(chǎn)品
【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TL814;TN40


本文編號：2658997