CN112649832B - 一种硅微条探测系统 - Google Patents

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CN112649832B CN202011031574.7A CN202011031574A CN112649832B CN 112649832 B CN112649832 B CN 112649832B CN 202011031574 A CN202011031574 A CN 202011031574A CN 112649832 B CN112649832 B CN 112649832B
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Abstract

本发明公开了一种硅微条探测系统，包括：硅微条阵列探测器、前端电子学单元、后端数据获取单元、FPGA主控单元和设置在上位机的数据处理单元；前端电子学单元用于将硅微条阵列探测器产生的电荷输出信号转化为电压信号，然后将电压值与门限值进行比较，若超过门限值则向主控电路输出数据采集的触发信号，同时将该电压信号转换为串行差分电流信号；后端数据获取单元用于将串行差分电流信号转化为数字量；FPGA主控单元用于当收到数据采集的触发信号后，为前端电子学电路和后端数据获取电路提供使能信号，读取后端数据获取电路输出的数据并进行存储；数据处理单元用于接收硅微条阵列探测器的数据，确定空间粒子入射在硅微条阵列探测单元的位置和能量。

Description

一种硅微条探测系统
技术领域
本发明涉及硅微条探测器领域，具体涉及一种硅微条探测系统。
背景技术
质子、重粒子、alpha粒子等其他种类的高能粒子是宇航器件运行环境中常见的辐射源，这些高能粒子可以入射到半导体器件的敏感区并产生大量电荷，从而改变电路的逻辑状态，甚至损坏集成电路的性能，使整个电路系统不能工作在正常状态下，严重的可能会导致灾难性的事故。经研究统计：超过71％的宇航电子器件发生的故障与电子器件工作的辐射环境有关，其中由单粒子效应引起的故障总数占总故障数目的55％。
为了更好的判断单粒子效应事件(SEU)与空间粒子辐射的关系，进而进行预警，需要知道空间粒子的入射位置及其能量。而随着半导体技术的迅速发展，各种半导体探测器都有了很多新的发展,其中硅微条探测器的发展非常突出，被广泛应用于核物理、高能物理、天体物理等实验中。双面硅微条探测器因具有较好的位置和能量分辨、较宽的线性范围等优点而被广泛使用：由于其具有很好的二维位置分辨能力，世界各大高能物理实验室采用它作为带电粒子轨迹重建的顶点探测器；俄罗斯Dubna的JINR用其作为研究天体物理的望远镜；在高粒子多重性的中能重离子碰撞研究中，该探测器又可作为粒子鉴别的ΔE/E探测器。
另外高集成化低噪声前端电子学的发展，进一步推动了硅微条探测器的发展提高，国际上许多实验室都成功设计开发了针对不同硅微条探测器的ASIC芯片，如美国费米国家实验室(FNAL)质子-反质子对撞机系统CDF采用的SVX芯片，欧洲核子研究中心(CERN)大型强子对撞机上CMS实验所采用的APV25芯片和ALTAS实验所采用的ABCD3TA芯片等。
然而大面积的硅微条探测器的铺设不仅会增加宇航器材的重量，而且价格昂贵。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术缺陷，提出了一种硅微条探测系统，以及使用该系统探测空间粒子入射位置及能量的方法，然后基于空间粒子的入射位置及能量，判定FPGA中SEU事件的发生与入射粒子位置及强弱的相关性。
为实现上述目的，本发明提出了一种硅微条探测系统，包括：硅微条阵列探测器，所述系统还包括前端电子学单元、后端数据获取单元、FPGA主控单元和设置在上位机上的数据处理单元；
所述前端电子学单元，用于将硅微条阵列探测器产生的电荷输出信号转化为电压信号，然后将电压值与门限值进行比较，若超过门限值则向主控电路输出数据采集的触发信号，同时将该电压信号转换为串行差分电流信号；
所述后端数据获取单元，用于将串行差分电流信号转化为数字量；
所述FPGA主控单元，用于当收到数据采集的触发信号后，为前端电子学电路和后端数据获取电路提供使能信号，读取后端数据获取电路输出的数据并进行存储，同时发送至数据处理单元；
所述数据处理单元，用于接收硅微条阵列探测器的数据，确定空间粒子入射在硅微条阵列探测单元的位置和能量。
作为上述系统的一种改进，所述前端电子学单元包括：前置放大电路、成形电路、采样保持电路和电压缓冲区；前置放大电路连接硅微条阵列探测器的2N路数据通道；一路数据通道输出探测器的一个探测单元的电荷输出信号；N为探测单元的个数；
所述前置放大电路，用于对有粒子入射的探测单元对应的两路数据通道的电流进行脉冲积分，将输入信号的电荷量转化成电压，将积分后的电压信号经过电容送入成形电路中；
所述成形电路，用于将前置放大电路输出的电压信号转换为成型脉冲，其中，信号在1.8～2μs到达成型脉冲最高值；将成形脉冲送到采样保持电路；
所述采样保持电路由一个模拟开关和一个电容组成，当保持信号Hold无效时，模拟开关一直处于导通状态，电容上的电压就是成形电路的输出电压，当保持信号Hold有效时，模拟开关未断开状态，电容上的电压保持不变；
所述电压缓冲区包括：比较电路、模拟多路复用器和差分模拟电流输出缓冲器；所述比较电路，用于将电压值与门限值进行比较，若超过门限值则向主控电路输出数据采集的触发信号；所述模拟多路复用器，用于在接收到主控电路的控制读数信号shift_in_b后，将电压切换到差分模拟电流输出缓冲器；所述差分模拟电流输出缓冲器，用于产生和输出差分后的电流值，该电流值大小正比于硅微条阵列探测器输入的电荷值。
作为上述系统的一种改进，所述后端数据获取单元包括：差分电流转模拟电压子电路和模拟电压转数字子电路；
差分电流转模拟电压子电路包括两个反馈电阻和一个减法器，两个反馈电阻将差分后的电流值转化成差分电压，经过减法器转化为单端电压，输出至模拟电压转数字子电路；
模拟电压转数字子电路包括：模数转换ADC，用于将模拟电压转换为数字量；模数转换ADC的功耗为100mW，采样率为220KHz，分辨率为16bit，在+5V单电源供电的情况下，输入动态范围为-10V～+10V；
模数转换ADC由两个输入信号控制：读数/转换输入信号
Figure BDA0002703859220000031
和芯片选择输入信号
Figure BDA0002703859220000032
其中，
Figure BDA0002703859220000033
用于控制模数转换过程和输出数据的读取，当
Figure BDA0002703859220000034
低，
Figure BDA0002703859220000035
下降沿开始转换；当
Figure BDA0002703859220000036
高，
Figure BDA0002703859220000037
下降沿输出数据；当
Figure BDA0002703859220000038
为低，
Figure BDA0002703859220000039
下降沿开始采样转换；
Figure BDA00027038592200000310
上升沿数据输出；当
Figure BDA00027038592200000311
为高时，数据输出位为高阻状态；在将
Figure BDA00027038592200000312
脉冲的下降沿施加到模数转换ADC之前，需要将
Figure BDA00027038592200000313
信号拉低至少10ns；当在模数转换ADC施加了这两个输入信号后，模数转换ADC上的输出信号
Figure BDA00027038592200000314
将变低并保持低电平，直到转换完成；4μs之后
Figure BDA00027038592200000315
将再次返回高电平，此时并行数据在模数转换ADC输出上有效。
作为上述系统的一种改进，所述FPGA主控单元的具体控制过程包括：
在接收到前端电子学电路的触发信号后，激活保持信号hold并发送给前端电子学电路；随后激活控制读数信号shift_in_b和时钟信号ck_b，控制读数信号shift_in_b用于选择模拟多路复用器以切换到差分模拟电流输出缓冲器；当时钟信号ck_b处于下降沿时激活读数/转换输入信号
Figure BDA00027038592200000316
和芯片选择输入信号
Figure BDA00027038592200000317
采集模数转换ADC输出的16bit数据，判断16bit数据是否为硅微条阵列探测器对应的数据通道输出的数据，若为是，则存储该16bit数据，同时发送至上位机，否则，将该数据丢弃。
作为上述系统的一种改进，所述数据处理单元包括：入射粒子的能量和位置估计子单元和SEU事件估计子单元；
所述入射粒子的能量和位置估计子单元，用于将接收到的10个16bit数据进行存储；然后将10个16bit数据依次进行两两比较，获得第一最大值及其对应的数据通道；将剔除最大值后剩余的9个16bit数据再两两进行比较，获得其中的第二最大值及其对应的数据通道；根据硅微条阵列探测器的结构，这两个数据通道的交叉位置即为空间粒子的入射位置，且第一最大值对应的电荷量为入射粒子的能量；
所述SEU事件估计子单元，用于在确定入射粒子的位置及能量后，判定FPGA芯片中SEU事件的发生与入射粒子位置及强弱的相关性；统计空间粒子入射位置SEU事件是否发生，若空间粒子入射的位置恰好发生SEU事件的概率超过70％，则认为SEU事件的发生与入射粒子位置是有一定相关性的；再结合入射粒子的能量，估算发生SEU事件所需的最小能量。
本发明的优势在于：
1、本发明采用专用的高集成度ASIC芯片将输出信号经过电荷积分、成形、放大、保持后，再由一片模数转换器件对其数字化，最后将数字化的码值通过FPGA等接收并上传保存；大大减少了读出电路所占用的面积，且读出数值更精确稳定；
2、本发明将硅微条探测器面积缩小化，仅将其架设在待监测FPGA上用于实时监测入射在FPGA上的空间粒子，当入射粒子能量超过阈值时，发送预警消息，并重新配置FPGA，使其工作在正常状态。
附图说明
图1为本发明的硅微条探测系统的结构图；
图2为本发明的硅微条传感器结构图；
图3为本发明的硅微条阵列探测器结构图；
图4为本发明的硅微条阵列探测器输出信号；
图5为“全通道采样-保持读出”模式原理时序图；
图6为差分电流-模拟电压原理图；
图7为模拟电压转数字原理图；
图8为使用
Figure BDA0002703859220000041
控制转换和读取的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。
如图1所示，本发明提出了一种硅微条探测系统，包括硅微条阵列探测器、前端电子学单元、后端数据获取单元、FPGA主控单元和设置在上位机上的数据处理单元。
1、硅微条阵列探测器
硅微条阵列探测器由2片硅微条传感器组成，每片传感器有5个探测单元(10mm×10mm)，如图2所示。
这两片硅微条传感器采用上下横纵交叉的方式组成一个5×5微条阵列，每个微条尺寸2mm×2mm，且可以独立输出信号。硅微条阵列探测器的结构如图3所示：由上往下依次是硅微条传感器1和硅微条传感器2，硅微条传感器1和硅微条传感器2垂直交叉布局，其中硅微条传感器1实现X方向上的定位、硅微条传感器2实现Y方向上的定位，两者结合实现空间粒子的定位。
定位过程为在空间粒子辐射的电离作用下，在传感器内部会形成电子-空穴对，并在传感器内部高压电场的作用下被收集到传感器的输出端并产生电荷输出信号。每片微条均可独立输出信号，因此共有10路输出信号将硅微条阵列探测器分为25个部分，读取输出信号的值即可定位空间粒子的入射位置。如图4所示，若X1、Y1有信号输出，粒子入射在①部分；若X2、Y3有信号输出，粒子入射在⑧部分；……以此类推。
2、前端电子学单元
如上所述，硅微条阵列探测器有10路电荷输出信号，为读出输出信号，选用电荷积分式ASIC芯片IDE3160作为前端电子学单元。
IDE3160是一款采用电荷-电压技术线路的多通道、高集成度电荷测量芯片，其主要参数如表1所示。
表1IDE3160的主要参数
参数 典型值
通道数 32
动态范围 -5pC～+13pC
噪声水平 3516e+7.6e/pF
差分输出增益 0.14uA/fC
功耗 203mW
IDE3160的电荷测量通道主要由前置放大器(Pre-Amplifier)、成形电路(Shaper)、采样保持电路(S/H)和电压缓冲器(Buffer)构成。电路工作时，前置放大器对输入的电流脉冲积分，将输入信号的电荷量转化成电压。将积分后的电压信号经过电容送入成形电路中，成型脉冲高度(峰值)正比于前置放大器的输出，信号约在1.8～2μs到达最高值。成形脉冲送到采样保持电路进行保持，采样保持电路由一个模拟开关和一个电容组成，当保持信号无效Hold时，模拟开关一直处于导通状态，电容上得到的电压就是成形放大器的输出电压，当保持信号Hold有效时，模拟开关未断开状态，电容上的电压保持不变，最后在控制信号的作用下，经缓冲Buffer输出电路输出差分的电流值，该电流值大小正比于探测器输入的电荷值。
IDE3160共有三种工作模式，这里我们选择“全通道采样-保持读出”模式：由于与电离辐射的相互作用，辐射传感器在通道N中产生电流脉冲。芯片产生触发，即ta上升；在产生电流脉冲之后，外部系统激活hold一段时间，在hold的上升沿，整形器输出被采样并保持。之后外部系统激活shift_in_b并在ck_b处产生下降沿，此时通道0的采样脉冲高度出现在outm和outp处。ck_b的下降沿将下一个通道的采样脉冲高度切换到模拟输出缓冲器。对于接收电流的通道N，采样脉冲高度大于其他没有接收电流的通道。在第ck_b的32个上升沿，信号shift_out_b激活。外部系统在ck_b处再施加一个周期，从而在shift_out_b处产生脉冲。如图5所示。
3、后端数据获取单元
后端数据获取单元由差分电流转模拟电压和模拟电压转数字两部分组成。
3.1差分电流转模拟电压
硅微条阵列探测器产生的多路电荷输出信号经过前端电子学单元转换为串行差分电流信号，为了方便读取，将其转换为单端电压，如图6所示。
采用跨阻放大器的结构，将差分电流分别在反馈电阻R30、R31上转化成差分电压，之后经过减法器转化为单端电压。为了抑制共模噪声，上下支路应尽可能对称。当R30＝R31，R27＝R29，R34/R32＝R35/R33时，其输出电压Vin为：
Vin＝R34/R32×R30×(outp-outm)
因此，在输出差分电流outp和outm时，可通过调节相应的阻值，改变模拟输出电压的动态范围。
3.2模拟电压转数字
通过模数转换ADC将模拟电压转换为数字量，便于上位PC机进行数据分析。这里，选用AD976A作为模数转换ADC。AD976A的功耗为100mW，采样率约为220KHz，分辨率为16bit，在+5V单电源供电的情况下，输入动态范围为-10V～+10V。最大的特点是，在片上集成有ADC、参考电源和时钟，同时采用开关电容/电荷重分布结构，内部的自动校正逻辑可以校正内部的非线性。模拟电压转数字原理图如图7所示。
AD976A由两个信号控制：
Figure BDA0002703859220000061
和
Figure BDA0002703859220000062
这里使用
Figure BDA0002703859220000063
来控制转换过程和输出数据的读取，如图8所示。在将
Figure BDA0002703859220000064
脉冲的下降沿(宽50ns)施加到ADC之前，需要将
Figure BDA0002703859220000065
信号拉低至少10ns。一旦施加了这两个脉冲，
Figure BDA0002703859220000066
将变低并保持低电平，直到转换完成。4μs之后，
Figure BDA0002703859220000067
将再次返回高电平，此时并行数据在ADC输出上有效。
4、FPGA主控单元
当空间入射粒子的门限信号到达时，FPGA主控单元为前端电子学单元和后端数据获取单元提供使能信号，并将AD976A采集到的数据进行存储。
当来自硅微条阵列探测器的门限信号达到后，在FPGA内将触发延迟一段时间，再将hold信号发送给IDE3160，通过设置合适的FPGA延时值，可使Hold信号达到时，IDE3160内部成形电路的输出刚好达到峰值。IDE3160接收到Hold之后，所有通道都将各自的峰值电压保持在电容中，然后FPGA激活shift_in_b，并发出时钟信号ck_b，同时激活
Figure BDA0002703859220000068
延时一端时间后，激活
Figure BDA0002703859220000069
此时
Figure BDA00027038592200000610
变低。大约4ms之后，将
Figure BDA00027038592200000611
再次激活，此时读取D0～D15的数据。IDE3160在ck_b作用下，依次将各通道的峰值电压移位输出，供ADC进行变换，并将硅微条阵列探测器对应通道的输出值存储在FPGA中。
5、上位机上的数据处理单元
硅微条阵列探测器有10路输出，经过AD976A转换后，存储在FPGA中共有16*10bit。存储在FPGA当中的数据通过串口向上位PC机传送，并在上位PC机中进行数据处理，以便测量空间入射粒子的入射位置及能量。
上位PC机数据处理单元首先将通过串口接收到的160bit数据保存，每隔16bit与相邻的16bit数据进行比较，若前者的数值更高，则记录其位置并与下一个16bit数据进行比较，否则，记录后者的数值与位置，如此反复，获得最大值及其对应的通道；将最大值剔除，重复进行比较，获得除最大值之外的第二大值，并记录其大小与对应的通道。按照硅微条阵列探测器的结构，将两个通道结合进而确定入射粒子的位置，且最大值对应的电荷量即为入射粒子的能量。
在确定入射粒子的位置及能量后，将SEU事件与之结合，进而判定FPGA中SEU事件的发生与入射粒子位置及强弱的相关性。统计空间粒子入射位置SEU事件是否发生，在相隔不久的一段时间内，若空间粒子入射的位置恰好发生SEU事件的概率超过70％，可以认为SEU事件的发生与入射粒子位置是有一定相关性的；再结合入射粒子的能量，可估算发生SEU事件所需的最小能量。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种硅微条探测系统，包括：硅微条阵列探测器，其特征在于，所述系统还包括前端电子学单元、后端数据获取单元、FPGA主控单元和设置在上位机上的数据处理单元；
所述前端电子学单元，用于将硅微条阵列探测器产生的电荷输出信号转化为电压信号，然后将电压值与门限值进行比较，若超过门限值则向主控电路输出数据采集的触发信号，同时将该电压信号转换为串行差分电流信号；
所述后端数据获取单元，用于将串行差分电流信号转化为数字量；
所述FPGA主控单元，用于当收到数据采集的触发信号后，为前端电子学电路和后端数据获取电路提供使能信号，读取后端数据获取电路输出的数据并进行存储，同时发送至数据处理单元；
所述数据处理单元，用于接收硅微条阵列探测器的数据，确定空间粒子入射在硅微条阵列探测器的位置和能量；
所述前端电子学单元包括：前置放大电路、成形电路、采样保持电路和电压缓冲区；前置放大电路连接硅微条阵列探测器的2N路数据通道；一路数据通道输出探测器的一个探测单元的电荷输出信号；N为探测单元的个数；
所述前置放大电路，用于对有粒子入射的探测单元对应的两路数据通道的电流进行脉冲积分，将输入信号的电荷量转化成电压，将积分后的电压信号经过电容送入成形电路中；
所述成形电路，用于将前置放大电路输出的电压信号转换为成型脉冲，其中，信号在1.8～2μs到达成型脉冲最高值；将成形脉冲送到采样保持电路；
所述采样保持电路由一个模拟开关和一个电容组成，当保持信号Hold无效时，模拟开关一直处于导通状态，电容上的电压就是成形电路的输出电压，当保持信号Hold有效时，模拟开关未断开状态，电容上的电压保持不变；
所述电压缓冲区包括：比较电路、模拟多路复用器和差分模拟电流输出缓冲器；所述比较电路，用于将电压值与门限值进行比较，若超过门限值则向主控电路输出数据采集的触发信号；所述模拟多路复用器，用于在接收到主控电路的控制读数信号shift_in_b后，将电压切换到差分模拟电流输出缓冲器；所述差分模拟电流输出缓冲器，用于产生和输出差分后的电流值，该电流值大小正比于硅微条阵列探测器输入的电荷值；
所述数据处理单元包括：SEU事件估计子单元，用于在确定入射粒子的位置及能量后，判定FPGA芯片中SEU事件的发生与入射粒子位置及强弱的相关性；统计空间粒子入射位置SEU事件是否发生，若空间粒子入射的位置恰好发生SEU事件的概率超过70％，则认为SEU事件的发生与入射粒子位置是有一定相关性的；再结合入射粒子的能量，估算发生SEU事件所需的最小能量；
硅微条阵列探测器由2片硅微条传感器组成，2片硅微条传感器垂直交叉布局。
2.根据权利要求1所述的硅微条探测系统，其特征在于，所述后端数据获取单元包括：差分电流转模拟电压子电路和模拟电压转数字子电路；
差分电流转模拟电压子电路包括两个反馈电阻和一个减法器，两个反馈电阻将差分后的电流值转化成差分电压，经过减法器转化为单端电压，输出至模拟电压转数字子电路；
模拟电压转数字子电路包括：模数转换ADC，用于将模拟电压转换为数字量；模数转换ADC的功耗为100mW，采样率为220KHz，分辨率为16bit，在+5V单电源供电的情况下，输入动态范围为-10V～+10V；
模数转换ADC由两个输入信号控制：读数/转换输入信号
Figure FDA0003802197470000021
和芯片选择输入信号
Figure FDA0003802197470000022
其中，
Figure FDA0003802197470000023
用于控制模数转换过程和输出数据的读取，当
Figure FDA0003802197470000024
低，
Figure FDA0003802197470000025
下降沿开始转换；当
Figure FDA0003802197470000026
高，
Figure FDA0003802197470000027
下降沿输出数据；当
Figure FDA0003802197470000028
为低，
Figure FDA0003802197470000029
下降沿开始采样转换；
Figure FDA00038021974700000210
上升沿数据输出；当
Figure FDA00038021974700000211
为高时，数据输出位为高阻状态；在将
Figure FDA00038021974700000212
脉冲的下降沿施加到模数转换ADC之前，需要将
Figure FDA00038021974700000213
信号拉低至少10ns；当在模数转换ADC施加了这两个输入信号后，模数转换ADC上的输出信号
Figure FDA00038021974700000214
将变低并保持低电平，直到转换完成；4μs之后
Figure FDA00038021974700000215
将再次返回高电平，此时并行数据在模数转换ADC输出上有效。
3.根据权利要求2所述的硅微条探测系统，其特征在于，所述FPGA主控单元的具体控制过程包括：
在接收到前端电子学电路的触发信号后，激活保持信号hold并发送给前端电子学电路；随后激活控制读数信号shift_in_b和时钟信号ck_b，控制读数信号shift_in_b用于选择模拟多路复用器以切换到差分模拟电流输出缓冲器；当时钟信号ck_b处于下降沿时激活读数/转换输入信号
Figure FDA00038021974700000216
和芯片选择输入信号
Figure FDA00038021974700000217
采集模数转换ADC输出的16bit数据，判断16bit数据是否为硅微条阵列探测器对应的数据通道输出的数据，若为是，则存储该16bit数据，同时发送至上位机，否则，将该数据丢弃。
4.根据权利要求1-3之一所述的硅微条探测系统，其特征在于，所述数据处理单元包括：入射粒子的能量和位置估计子单元；
所述入射粒子的能量和位置估计子单元，用于将接收到的10个16bit数据进行存储；然后将10个16bit数据依次进行两两比较，获得第一最大值及其对应的数据通道；将剔除最大值后剩余的9个16bit数据再两两进行比较，获得其中的第二最大值及其对应的数据通道；根据硅微条阵列探测器的结构，这两个数据通道的交叉位置即为空间粒子的入射位置，且第一最大值对应的电荷量为入射粒子的能量。
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