近二十多年來(lái),以微網(wǎng)結(jié)構(gòu)氣體探測(cè)器(Micromegas)和電子倍增器(GasElectron Multiplier,簡(jiǎn)稱GEM)為典型代表的微結(jié)構(gòu)氣體探測(cè)器(Micro Pattern Gas Detector,簡(jiǎn)稱MPGD)得到長(zhǎng)足發(fā)展。因其良好的時(shí)間和空間分辨率、高抗輻照能力、高事例率、高增益和可制作成大面積探測(cè)器等優(yōu)點(diǎn),在高能物理實(shí)驗(yàn)、核醫(yī)學(xué)成像、安全監(jiān)測(cè)、以及空間天文等領(lǐng)域得到廣泛研究和應(yīng)用。不同的應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)MPGD探測(cè)器的讀出電子學(xué)提出了不同的要求(比如通道數(shù)規(guī)模、計(jì)數(shù)率、抗輻照能力、測(cè)量精度不同等),基于這些多樣化的需求,國(guó)內(nèi)外研發(fā)了許多可應(yīng)用于MPGD的ASIC芯片,并設(shè)計(jì)了配套的讀出電子學(xué)系統(tǒng)。在MPGD探測(cè)器領(lǐng)域,目前探測(cè)器技術(shù)己取得長(zhǎng)足的發(fā)展,而相應(yīng)的電子學(xué)則相對(duì)滯后,成為制約新型氣體探測(cè)器研究和應(yīng)用的瓶頸。國(guó)際上在研發(fā)MPGD探測(cè)器的同時(shí)也發(fā)展了相關(guān)電子學(xué),開(kāi)發(fā)出了多款針對(duì)不同實(shí)驗(yàn)需求的前端ASIC芯片,如APV25、 VA系列芯片、AGET、VFAT2、 GASTONE、 MICROROC等,也發(fā)展了通用可擴(kuò)展讀出電子學(xué)系統(tǒng)(Scalable Readout System,簡(jiǎn)稱SRS)和多目標(biāo)讀出電子學(xué)系統(tǒng)(Multi-Purpose Digitizer,簡(jiǎn)稱MPD)等,用來(lái)適應(yīng)不同探測(cè)目標(biāo)和規(guī)模的氣體探測(cè)器。國(guó)內(nèi)緊跟國(guó)際步伐,也研制出了性能優(yōu)越的Micromegas、 GEM等MPGD探測(cè)器,但配套電子學(xué)卻落后于國(guó)際水平。雖然國(guó)內(nèi)的清華大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所等單位已開(kāi)展了多年的ASIC設(shè)計(jì)研究,已設(shè)計(jì)了針對(duì)氣體探測(cè)器的讀出芯片如CASAGEM、 GEMROC、 GEMPROC等。但是,基于不同ASIC芯片,能適應(yīng)不同探測(cè)目標(biāo)和不同實(shí)驗(yàn)規(guī)模的可擴(kuò)展、通用讀出電子學(xué)系統(tǒng)的研究,仍然處于起步階段。立足于MPGD探測(cè)器的廣闊應(yīng)用前景,以及國(guó)內(nèi)可擴(kuò)展、通用讀出電子學(xué)系統(tǒng)研究的欠缺,本論文調(diào)研了國(guó)內(nèi)外氣體探測(cè)器領(lǐng)域典型的讀出電子學(xué)系統(tǒng),主要包括基于分立元器件搭建前端電路的北京譜儀主漂移室讀出電子學(xué)系統(tǒng)、基于ASIC芯片的MPD讀出電子學(xué)系統(tǒng)、歐洲核子研究中心(CERN)的可擴(kuò)展讀出電子學(xué)系統(tǒng)(SRS)和工業(yè)化的可擴(kuò)展讀出電子學(xué)系統(tǒng)(ATCA-SRS)等。在重點(diǎn)參考RD51小組提出的可擴(kuò)展電子學(xué)設(shè)計(jì)理念的基礎(chǔ)上,借鑒國(guó)外通用讀出電子學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),本論文研究設(shè)計(jì)了一套面向MPGD探測(cè)器的兼容性強(qiáng)、可擴(kuò)展的通用讀出電子學(xué)原型系統(tǒng)(SRS原型系統(tǒng))。該原型系統(tǒng)既可兼容多種ASIC芯片從而適應(yīng)不同的氣體探測(cè)器,又可通過(guò)靈活配置電子學(xué)模塊的數(shù)量和結(jié)構(gòu),來(lái)適應(yīng)不同通道數(shù)規(guī)模的實(shí)驗(yàn)需求。該SRS原型系統(tǒng)主要由：三類電路模塊組成,前端ASIC卡、適配卡(AdapterCard)和FEC卡(Front-End Card)。前端ASIC卡上裝載有多通道電荷測(cè)量ASIC芯片用于接收探測(cè)器的輸出,適配卡Adapter通過(guò)PCIe連接器和FEC卡相連將前端ASIC芯片的輸出經(jīng)過(guò)模-數(shù)轉(zhuǎn)換后傳輸給FEC卡上的FPGA做進(jìn)一步處理并傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。通過(guò)配置PCIe連接器,FEC卡可以兼容控制基于不同ASIC芯片的前端ASIC卡和相應(yīng)適配卡的工作狀態(tài),從而適應(yīng)不同探測(cè)目標(biāo)實(shí)驗(yàn)的需求,拓寬SRS系統(tǒng)的應(yīng)用前景：?jiǎn)螇KFEC卡連接適配卡Adapter,控制N塊前端ASIC卡(N取決于具體設(shè)計(jì))的工作狀態(tài)和接收它們的數(shù)據(jù),稱為一個(gè)數(shù)據(jù)采集單元(DAQ Cell)。數(shù)據(jù)采集單元的控制卡FEC通過(guò)以太網(wǎng)接口組成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),伸縮擴(kuò)展數(shù)據(jù)采集單元的數(shù)量,可以滿足不同規(guī)模通道數(shù)MPGD探測(cè)器實(shí)驗(yàn)的需求。該SRS原型系統(tǒng)采用VA140、AGET和APV25芯片驗(yàn)證系統(tǒng)的兼容性和可擴(kuò)展性設(shè)計(jì)理念。目前已設(shè)計(jì)的基于VA140和AGET芯片的SRS原型系統(tǒng)性能良好,VA140-SRS和AGET-SRS的電子學(xué)噪聲分別為0.15 fC和0.3 f℃,線性性能均好于1.5%。配合Micromegas探測(cè)器的聯(lián)調(diào)結(jié)果表明,SRS原型系統(tǒng)能夠滿足MPGD探測(cè)器需求：所設(shè)計(jì)Eurocard標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱和選用的AC/DC電源模塊,使單個(gè)機(jī)箱可以組裝17個(gè)數(shù)據(jù)采集單元。對(duì)于VA140-SRS,單個(gè)機(jī)箱可實(shí)現(xiàn)8704路電子學(xué)通道；對(duì)于AGET-SRS,單個(gè)機(jī)箱可實(shí)現(xiàn)4652路電子學(xué)通道。本論文所設(shè)計(jì)的SRS原型系統(tǒng),不僅可應(yīng)用于MPGD探測(cè)器,還可推廣到硅微條、硅像素探測(cè)器等其他應(yīng)用領(lǐng)域。并且,該SRS原型系統(tǒng)還能被移植到ATCA機(jī)箱,實(shí)現(xiàn)SRS系統(tǒng)的工業(yè)化設(shè)計(jì),進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能,實(shí)現(xiàn)更廣泛和更大規(guī)模的應(yīng)用。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2016
【中圖分類】：TL81
【部分圖文】：

??廣泛。蓋革計(jì)數(shù)器需要配套電子計(jì)數(shù)器的支持才能完成粒子探測(cè)，如圖１．１所??示。多個(gè)蓋革計(jì)數(shù)器排成陣列工作，可用于粒子的位置靈敏探測(cè)，精度約為１?ｃｍ，??取決于計(jì)數(shù)管本身的物理尺寸；１９３７物理學(xué)家席勒使用它測(cè)定了宇宙射線的角??分布。需要照相技術(shù)支持的早期氣體探測(cè)器比較多，包括云室內(nèi)和氣泡室Ｗ及火??花室和流光室等。這些氣體徑跡探測(cè)器利用帶電粒子經(jīng)過(guò)介質(zhì)時(shí)留的持性軌跡，??通過(guò)照相技術(shù)保存帶電粒子的徑跡并采用特殊測(cè)量器具分析徑跡曲線的方向、彎??曲程度和長(zhǎng)短等特點(diǎn)來(lái)推算入射粒子的屬性�？茖W(xué)家使用云霧室分別于１９３２年??和１９％年發(fā)現(xiàn)正電子和４介子，又于１９５４年用氣泡室發(fā)現(xiàn)了?２：０超子，１９６１年??用火花室發(fā)現(xiàn)４中微子等口］；上世紀(jì)５０年代我國(guó)科學(xué)家利用氣泡室發(fā)現(xiàn)了反乙－??超子口］。??ｎｉｉｉｒｉｊｉ?＇?ＩＩ?Ｉ?…?ＨＩＰＰ?鄭＂ｒ．砰??氣泡室??麵Ｈ??火花室?發(fā)規(guī)擊審尋的照方＾??圖１．１早期氣體探測(cè)器和粒千巧跡照片示例．??１９６８年ＣＥＲＮ的恰帕克在正比技術(shù)管的基礎(chǔ)上發(fā)明了多絲正比室（ＭＷＰＣ）??使氣體探測(cè)器發(fā)生了革命性變化，步入了位置靈敏的時(shí)代巧］。ＭＷＰＣ結(jié)構(gòu)如圖??１．２所示，兩塊陰極平面相距幾厘米，中間由大量陽(yáng)極平行細(xì)絲組成、細(xì)絲直徑??約為０．１?ｍｍ、間距為毫米量級(jí)，探測(cè)器工作在正比區(qū)。當(dāng)入射粒子穿過(guò)探測(cè)器??時(shí)

２０世紀(jì)８０年代末，伴隨著讀出電子科學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，迎來(lái)了氣體探測(cè)??器發(fā)展的嶄新階段，涌現(xiàn)出了一批具有創(chuàng)新結(jié)構(gòu)的新型氣體探測(cè)器，統(tǒng)稱為微結(jié)??構(gòu)氣體探測(cè)器（ＭＰＧＤ）［１０］。如圖１．３所示，按照結(jié)構(gòu)劃分，微結(jié)構(gòu)氣體探測(cè)器??分成兩大類：基于微網(wǎng)結(jié)構(gòu)的ＭＰＧＤ和基于微孔結(jié)構(gòu)的ＭＰＧＤ［１０］�；谖⒕W(wǎng)??結(jié)構(gòu)的?ＭＰＧＤ?包括?Ｍｉｃｒｏｍ巧ａｓ，?Ｂ山ｋ?Ｍｉｃｒｏｍ巧化?Ｍｉｃｒｏｂｕｌｋ?Ｍｉｃｒｏｍ巧ａｓ?和??ＩｎＧｒｉｄ等探測(cè)器：基于微孔結(jié)構(gòu)的ＭＰＧＤ探測(cè)器包括ＧＥＭ、ＴＨＧＥＭ、ＲＥＴＧＥＭ、??Ｍｉｃｒｏ－Ｈｏｌｅ和Ｈ－ＮＣ等探測(cè)器。和氣體探測(cè)器ＭＷＰＣ相比，ＭＰＧＤ的探測(cè)器結(jié)??構(gòu)更科學(xué)合理，具有更好的時(shí)間和空間分辨率、更高的抗福照能力、更高的事例??率、更高的增益、Ｌ：；、及更好的穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，可適應(yīng)現(xiàn)代粒子實(shí)驗(yàn)的需求。此外，??ＭＰＧＤ在空間天文、醫(yī)學(xué)成像和工業(yè)等領(lǐng)域也得到廣泛研究和應(yīng)用［１１］。２００８年，??３??ｉ??

［．．＇■！?Ｉ．Ｉ．．：?１．?，?：．ｒ＇．’；，＇ｊ?忠?扯＿??圖１．４左圖為ＭＷＰＣ探測(cè)器結(jié)構(gòu)和電場(chǎng)圖：右圖為ＭＳＧＣ探測(cè)器結(jié)構(gòu)和電場(chǎng)圖．??１．２．１微結(jié)構(gòu)氣體探測(cè)器原理??ＭＷＰＣ受到結(jié)構(gòu)的限制，如圖１．?４左固所示，其絲間距小于１?ｍｍ就很難制??作，空間分辨率無(wú)法進(jìn)一步提高；并且其電子雪崩放大過(guò)程發(fā)生在陽(yáng)極絲附近，正??離子漂移到陰極的過(guò)程需要花費(fèi)大量時(shí)間導(dǎo)致空間電荷效應(yīng)顯著，計(jì)數(shù)率一般為１〇４??ｍｍ－Ｖｉ，無(wú)法進(jìn)一步提高巧］；這樣的空間分辨率和計(jì)數(shù)率已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代粒子物??理實(shí)驗(yàn)室的需求。而對(duì)于早期的微結(jié)構(gòu)氣體探測(cè)器ＭＳＧＣ?（微條氣體探測(cè)器），如??圖１．４右圖所示．陽(yáng)極條和陰極條在一個(gè)平面上且離的很近
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