CN112987075A - 一种延迟线位置灵敏探测器系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种延迟线位置灵敏探测器系统及方法，系统由延迟线阳极、微通道板、高压供电系统和信号处理模块和PC组成；所述延迟线阳极为四层印刷电路板结构，延迟线阳极上设有过孔和焊盘，延迟线阳极的顶层是由蛇形延迟线组成，第二层是接地层，第三层是由与第一层的蛇形延迟线互为正交的蛇形延迟线组成，底层为接地层；所述微通道板和延迟线阳极依次并排设置于真空环境中，所述延迟线阳极依次与信号处理模块和PC连接；所述高压供电系统用于对所述微通道板和延迟线阳极供电；在真空环境中，通过入射粒子击打微通道板产生电子束，电子束击打到延迟线阳极上，从延迟线阳极的两端输出信号并由信号处理模块处理后得到入射粒子的时间信息和位置信息。

Description

一种延迟线位置灵敏探测器系统及方法
技术领域
本发明涉及位置灵敏探测器领域，特别是涉及一种基于印刷电路板结构的延迟线位置灵敏探测器系统及方法。
背景技术
探测器是质谱设备中检测粒子的关键器件，微通道板是最为常用的探测器之一，通过结合不同类型的阳极可用于检测电子，离子和光子，通过结合适当的阳极和读出装置即可进行位置敏感信号的测量。基于微通道板的位置敏感探测器已经被广泛应用于短波天体物理观测，表面分析，X射线晶体学和粒子信号检测等领域。近年来，还发展出了诸如电阻阳极，楔形阳极，延迟线阳极，配合CCD相机的荧光屏阳极等多种位置敏感探测器的实现方式。
延迟线阳极探测器，因具有高空间分辨率、大探测面积的特点，被广泛应用于位置敏感检测中。而我国对延迟线探测器的研究较少，大多数都是直接购买国外的商业化产品，价格昂贵，因此设计一种低成本、高性能、具有完全自主知识产权的延迟线探测系统成为所述技术领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于印刷电路板结构的延迟线阳极和自主设计的信号处理电路组成的探测器系统及方法，以解决上述提及的技术问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种延迟线位置灵敏探测器系统，由延迟线阳极、微通道板、高压供电系统和信号处理模块和PC组成；所述延迟线阳极为四层印刷电路板结构，延迟线阳极上设有过孔和焊盘，延迟线阳极的顶层是由蛇形延迟线组成，第二层是接地层，第三层是由与第一层的蛇形延迟线互为正交的蛇形延迟线组成，底层为接地层；所述微通道板和延迟线阳极依次并排设置于真空环境中，所述延迟线阳极依次与信号处理模块和PC连接；所述高压供电系统用于对所述微通道板和延迟线阳极供电；在真空环境中，通过入射粒子击打微通道板产生电子束，电子束击打到延迟线阳极上，从延迟线阳极的两端输出信号并由信号处理模块处理后得到入射粒子的时间信息和位置信息。
进一步的，延迟线阳极的顶层与第三层的蛇形延迟线的特征阻抗均为48～52Ω；蛇形延迟线的走线宽度为0.25mm；过孔所在焊盘大小为0.27mm×0.7mm；对于每条蛇形延迟线和过孔焊盘边缘之间的间隙宽度等于0.14mm。
进一步的，所述微通道板和所述延迟线阳极之间的距离为2mm-5mm；微通道板的数量为两块，每块所述微通道板的厚度为0.5mm-1mm，每块所述微通道板对电子的增益为103-104；每块所述微通道板的前后两个端面之间的电压为800V-1000V，所述微通道板和所述延迟线阳极之间的电压为100V-300V。
进一步的，所述信号处理模块包括前置放大器、恒比鉴相器和基于FPGA的时间数字转换器；所述信号处理模块接收所述延迟线阳极给出的电信号，由所述前置放大器对信号进行放大，并由所述恒比鉴相器采集信号的时间信息，该时间信息由所述时间数字转换器转换为数字信号，并将数字信号传送至所述PC，所述PC用于分析结果并进行显示和储存。
进一步的，所述前置放大器由两路OPA694运算放大器以及滤波电路组成；所述恒比鉴相器电路由高速比较器MAX9601、延时部分和衰减部分构成；所述时间数字转换器通过编程设置。
进一步的，所述入射粒子为光子、电子、带电荷的原子、分子或分子碎片。
本发明还提供一种延迟线位置灵敏探测方法，包括以下步骤：
(1)通过高压供电系统分别在每块微通道板上施加800V-1000V电压，在微通道板与延迟线阳极之间加载100V-300V的工作电压；
(2)入射粒子击打微通道板产生二次电子，在高压作用下，电子在微通道板内产生雪崩放大，形成电子束；
(3)电子束在微通道板与延迟线阳极之间的电压作用下击打到延迟线阳极上，信号处理模块采集处理延迟线阳极的输出信号，获得时间信息并将其转换成数字信号传送至PC；
(4)PC对所接收到的数据信息进行运算分析得到入射粒子击打微通道板的时间信息和位置信息，并进行显示和储存。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1.本发明解决了目前国内现有技术在真空系统中探测粒子位置信息成本高昂、以及采集速度慢的问题。该方法基于延迟线结构的位置灵敏探测器系统，结构简单坚固，设计科学合理，造价低廉，可在真空条件下对入射带电粒子或光子进行位置检测，能给出入射带电粒子或光子的位置信息和时间信息，数据采集和处理速度快。
2.探测器系统采用印刷电路板技术制作延迟线阳极，通过阻抗匹配设计具体结构参数，降低噪声减小信号的失真，提高位置测量的精度。通过将信号处理模块进行集成设计，减小了信号在传输过程中造成的误差，通过自行设计信号处理模块并选择芯片，以极高的性价比完成了模块的设计，可以在保证测量精度的条件下完成延迟线阳极输出信号的处理工作。
附图说明
图1为本发明位置灵敏探测器系统的结构示意图。
图2是本发明实施例中印刷电路板结构延迟线阳极示意图。
图3为图2中的延迟线阳极截面图。
图4为本发明延迟线阳极与信号处理模块连接示意图。
图5为本发明延迟线探测器工作原理。
附图标记：1-延迟线阳极，2-微通道板，3-高压供电系统，4-信号处理模块，5-PC，6-顶层，7-第二层，8-第三层，9-底层，10-过孔及焊盘，11-介质层，12-前置放大器，13-恒比鉴相器，14-FPGA。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供的一种延迟线结构的位置灵敏探测器系统，结构简单坚固、设计科学合理，使用方便，造价低廉，可在真空条件下对带电粒子或光子进行位置检测，能给出所测带电粒子或光子的位置信息和时间信息。如图1所示的延迟线结构位置灵敏探测器系统，包括延迟线阳极1、微通道板2、高压供电系统3、信号处理模块4和PC 5，延迟线阳极1和微通道板2依次并排设置于真空环境中，高压供电系统3与微通道板2电连接，用于为微通道板提供工作电压，同时，高压供电系统还在延迟线探测阳极和微通道板之间加载电压，所加载电压起引导电子传播的作用。
如图2所示为延迟线阳极的结构示意图，其结构基于四层印刷电路板，延迟线阳极分为上下两层蛇形延迟线，两组线相互垂直，提供粒子的二维位置信息。如图3所示为延迟线阳极的切面图，其中顶层6是由蛇形延迟线组成的铜层，第二层7和底层9都是接地的铜层，第三层8是由与顶层的蛇形延迟线正交的蛇形延迟线组成的铜层，延迟线阳极上设有过孔及焊盘10，各铜层之间为介质层11。
如图4所示，包括与延迟线阳极连接的信号处理模块，以及与信号处理模块连接的PC。信号处理模块包括前置放大器12、恒比鉴相器13和基于FPGA14的时间数字转换器；信号处理模块接收延迟线阳极给出的电信号，由放大器对信号进行放大，并由恒比鉴相器采集信号的时间信息，该时间信息由基于FPGA的时间数字转换器转换为数字信号，并将其传送至PC机。PC机用于对数据进行分析处理，并进行显示和储存。
如图5所示为延迟线阳极单根延迟线的工作原理，电子撞击延迟线并被收集，从撞击位置先后到达延迟线两个端点。由于延迟线的长度固定，所以电荷传输至延迟线的两个端点的时间也是固定值。将电子击打到延迟线的时间记为t，电荷击打延迟线产生信号传到A端的时刻记为ta，传到B端的时刻记为tb，设电荷在延迟线上传输速度为v，则存在下列关系：
Tsum＝ta+tb-2t＝C
C为一固定常数。而电子击打延迟线的位置与延迟线中点距离X为：
Figure BDA0002939486250000041
延迟线位置灵敏探测器的工作流程包括以下步骤：
(1)通过外界高压供电系统分别在每块微通道板上施加800V–1000V电压，在微通道板与延迟线阳极之间加载100V–300V的工作电压。
(2)入射粒子击打微通道板产生二次电子，在高压作用下，电子在阴极通道内产生雪崩放大，形成电子束。
(3)增益放大后的电子束在微通道板组与延迟线阳极之间的电压作用下打到延迟线阳极上，同时信号处理电路接受延迟线阳极的输出信号并将其转换成数字信号传送至PC机。
(4)PC机对所接收到的数据信息进行运算分析得到入射粒子击打微通道板的时间信息和位置信息，并进行显示和储存。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上做出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种延迟线位置灵敏探测器系统，其特征在于，由延迟线阳极、微通道板、高压供电系统和信号处理模块和PC组成；所述延迟线阳极为四层印刷电路板结构，延迟线阳极上设有过孔和焊盘，延迟线阳极的顶层是由蛇形延迟线组成，第二层是接地层，第三层是由与第一层的蛇形延迟线互为正交的蛇形延迟线组成，底层为接地层；所述微通道板和延迟线阳极依次并排设置于真空环境中，所述延迟线阳极依次与信号处理模块和PC连接；所述高压供电系统用于对所述微通道板和延迟线阳极供电；在真空环境中，通过入射粒子击打微通道板产生电子束，电子束击打到延迟线阳极上，从延迟线阳极的两端输出信号并由信号处理模块处理后得到入射粒子的时间信息和位置信息。
2.根据权利要求1所述延迟线位置灵敏探测器系统，其特征在于，延迟线阳极的顶层与第三层的蛇形延迟线的特征阻抗均为48～52Ω；蛇形延迟线的走线宽度为0.25mm；过孔所在焊盘大小为0.27mm×0.7mm；对于每条蛇形延迟线和过孔焊盘边缘之间的间隙宽度等于0.14mm。
3.根据权利要求1所述延迟线位置灵敏探测器系统，其特征在于，所述微通道板和所述延迟线阳极之间的距离为2mm-5mm；微通道板的数量为两块，每块所述微通道板的厚度为0.5mm-1mm，每块所述微通道板对电子的增益为103-104；每块所述微通道板的前后两个端面之间的电压为800V-1000V，所述微通道板和所述延迟线阳极之间的电压为100V-300V。
4.根据权利要求1所述延迟线位置灵敏探测器系统，其特征在于，所述信号处理模块包括前置放大器、恒比鉴相器和基于FPGA的时间数字转换器；所述信号处理模块接收所述延迟线阳极给出的电信号，由所述前置放大器对信号进行放大，并由所述恒比鉴相器采集信号的时间信息，该时间信息由所述时间数字转换器转换为数字信号，并将数字信号传送至所述PC，所述PC用于分析结果并进行显示和储存。
5.根据权利要求4所述延迟线位置灵敏探测器系统，其特征在于，所述前置放大器由两路OPA694运算放大器以及滤波电路组成；所述恒比鉴相器电路由高速比较器MAX9601、延时部分和衰减部分构成；所述时间数字转换器通过编程设置。
6.根据权利要求1所述延迟线位置灵敏探测器系统，其特征在于，所述入射粒子为光子、电子、带电荷的原子、分子或分子碎片。
7.一种延迟线位置灵敏探测方法，基于权利要求1所述延迟线位置灵敏探测器系统，其特征在于，包括以下步骤：
(1)通过高压供电系统分别在每块微通道板上施加800V-1000V电压，在微通道板与延迟线阳极之间加载100V-300V的工作电压；
(2)入射粒子击打微通道板产生二次电子，在高压作用下，电子在微通道板内产生雪崩放大，形成电子束；
(3)电子束在微通道板与延迟线阳极之间的电压作用下击打到延迟线阳极上，信号处理模块采集处理延迟线阳极的输出信号，获得时间信息并将其转换成数字信号传送至PC；
(4)PC对所接收到的数据信息进行运算分析得到入射粒子击打微通道板的时间信息和位置信息，并进行显示和储存。
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