CN115166809A - 一种匹配硅探测器的集成读出装置 - Google Patents

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张珅毅
孙越强
张焕新
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权子达
王丽萍
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Abstract

本发明涉及一种匹配硅探测器的集成读出器件，该装置包括选通电路和多路信号处理电路；选通电路根据硅探测器匹配信号处理电路；信号处理电路对硅探测器输出的电荷信号进行处理；器件将选通电路和信号处理电路集成；信号处理电路包括电荷灵敏前置放大器、极零相消电路、滤波成形电路、主放大器、峰值保持器、触发器和模拟缓冲输出电路；电荷灵敏前置放大器将电荷信号转换成脉冲信号；极零相消电路将脉冲信号转换成单极性信号；滤波成形电路将单极性信号转换成电压信号；主放大器将电压信号进行二级放大；峰值保持器将放大的电压信号转换为峰值保持信号；触发器将放大的电压信号转换成触发信号输出；模拟缓冲输出电路将峰值保持信号缓冲驱动输出。

Description

一种匹配硅探测器的集成读出装置
技术领域
本发明属于粒子辐射测量技术领域，特别是测量带电粒子在硅探测器中能量沉积的前端读出器件，具体涉及一种匹配硅探测器的集成读出装置。
背景技术
硅半导体探测器是目前粒子辐射测量中应用最广的传感器。它是以半导体材料为探测介质的辐射探测器，其基本原理是带电粒子在硅探测器的灵敏体积内产生电子-空穴对，电子-空穴对在外电场的作用下漂移而输出电荷信号，输出电荷量大小取决于入射粒子能量的大小。一般来说，量级约为毫伏/兆电子伏，仪器直接很难测量，因此对硅探测器输出的微弱电荷进行前端放大处理的需求得以提出，前端读出电子学是粒子辐射测量装置的一个重要组成部分。
现有粒子测量装置中前端读出电子学基本采用不同电子元件设计搭建不同电路模块实现，包括电荷灵敏前置放大器、脉冲成形、主放大器和峰值保持等电路，电路设计规模较复杂，尺寸功耗大，同时也不利于电路调试及性能测试等。更重要的是，这种采用不同器件搭建实现的前端电子学设计，极易导致更易受外界噪声干扰影响，难以提升辐射测量装置的性能指标。因此，为应对探测仪器低功耗、多通道、小体积和高性能的应用趋势，迫切需要研发匹配硅探测器的集成读出器件。
现有技术存在的问题为：现有粒子辐射测量装置中匹配硅探测器的前端读出电子学基本采用不同的电子元件实现，导致电路尺寸及功耗较大，同时难以实现性能指标的提升。具体地，一方面，由于前端读出电子学需采用电子元件分别实现，包括电荷灵敏前放、脉冲成形、峰值保持和阈值触发等多种功能，电路设计复杂，使用元件数量庞大，导致尺寸功耗较大，同时也不便于电路调试；另一方面，前端读出电子学各电路模块相互独立，导致微弱信号易受外界噪声干扰，测量精度、灵敏度等指标难以提升。
发明内容
为解决现有技术存在上述缺陷，本发明提出的集成读出器件，具体涉及一种匹配硅探测器的集成读出器件；本发明提供的集成读出器件克服了现有粒子辐射测量装置中前端读出电路分开设计，导致的前端微弱信号易受外界噪声干扰，探测精度难以提升的问题；克服了现有技术中前端电子学采用不同电子元件设计，导致现有粒子测量装置尺寸大功耗大的缺点；此外，还克服了不同电路模块设计难度大、电路调试测试繁琐等缺陷。
本发明设计了一种匹配硅探测器的集成读出器件，所述器件用于与硅探测器相连，所述器件包括：模式选通电路和多路信号处理电路，所述多路信号处理电路中的电路参数设置不同，工作模式不同；
所述模式选通电路，用于根据连接的硅探测器生成选通信号，并根据选通信号选择相应的信号处理电路；
所述信号处理电路，用于接收硅探测器输出的电荷信号，并对电荷信号进行处理，输出对应的电压幅度信息；
所述器件将选通电路和信号处理电路集成。
作为上述技术方案的一种改进，所述信号处理电路包括：电荷灵敏前置放大器、极零相消电路、滤波成形电路、主放大器、峰值保持器、触发器和模拟缓冲输出电路，
所述电荷灵敏前置放大器，用于将硅探测器输出的反映带电粒子沉积能量的电荷信号转换成脉冲信号，并传输至所述的极零相消电路；
所述极零相消电路，用于将电荷灵敏前置放大器输出的脉冲信号转换成单极性信号，并传输至滤波成形电路；
所述滤波成形电路，用于将极零相消电路输出的单极性信号转换成具有一定上升沿信息的电压信号，并传输至主放大器；
所述主放大器，用于将滤波成形电路输出的电压信号进行二级放大，并分别传输至峰值保持器和触发器；
所述峰值保持器，用于将主放大电路输出的电压信号转换为峰值保持信号，并传输至模拟缓冲输出电路；
所述触发器，用于将主放大器输出的电压信号转换为触发信号并输出；
所述模拟缓冲输出电路，用于将峰值保持电路输出的信号进行缓冲驱动输出。
作为上述技术方案的一种改进，所述器件输出电压幅度信息后，通过理论计算，获得每个对应能量的带电粒子的不同阈值电压；基于得到的阈值电压并结合所述硅探测器的已知厚度，获得对应的空间带电粒子的能量信息。
作为上述技术方案的一种改进，所述电荷灵敏前置放大器，采用高输入阻抗的场效应管(FET)作为前放的输入晶体管；
作为上述技术方案的一种改进，所述电荷灵敏前置放大器，采用阻容反馈型前放基本结构，用于收集硅探测器输出的正电荷或负电荷；
作为上述技术方案的一种改进，所述极零相消电路的时间常数与电荷灵敏前置放大器相匹配。
作为上述技术方案的一种改进，所述滤波成形电路，采用有源滤波电器为基本结构。
作为上述技术方案的一种改进，所述主放大器，采用电压负反馈结构；
作为上述技术方案的一种改进，所述模拟缓冲输出电路，输入级采用轨到轨结构，输出级拟采用前馈型结构。
作为上述技术方案的一种改进，所述多路信号处理电路中的电路参数设置不同具体为：电荷灵敏放大器的电荷灵敏放大倍数以及主放大器的电压放大倍数不同。
所述集成读出器件可根据设计需求进行多个不同模块的搭配，实现探灵活组合，完成不同种类不同能量范围的粒子辐射测量需求。
本发明的一种匹配硅探测器的集成读出器件，可测量带电粒子辐射，具有集成度高、低功耗、抗干扰能力强等优点，可广泛应用于粒子辐射测量装置中，如中高能电子、质子探测器、粒子辐射LET谱探测器和单粒子探测器等。此外，还可用于基于硅半导体探测器的空间X射线探测、高能物理实验、加速器装置和医学CT等相关领域。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
现有技术中，以往粒子探测读出电路均由不同功能的独立器件设计实现，包括电荷灵敏放大器、极零相消、主放大器和峰值保持器等，本技术将上述功能通过集成电路工艺设计一款粒子探测读出器件。本发明的一种匹配硅探测器的集成读出器件，将用于粒子辐射测量的前端读出电子学进行集成化设计，解决的问题包括电路方案设计优化、尺寸小型化和降噪声干扰等。
本发明的一种匹配硅探测器的集成读出器件采用集成电路工艺，实现将电荷灵敏前置放大器、极零相消、滤波成形、主放大器、峰值保持器、触发器、模拟缓冲输出和模式切换电路等前端电子学集成，对带电粒子辐射测量具有重要的实际意义。该器件具备正/负电荷输入、脉冲成形、峰值信号保持输出和模式选通等功能；通过集成前端读出器件设计，可以减小前端读出电子学的结构尺寸和重量，在用于设计带电粒子辐射测量装置时，通过将多个集成器件搭配，可以实现灵活组合，降低硅探测器和前端电子学设计的复杂程度；可匹配不同面积的硅探测器使用，组成硅探测器模块，减小连线分布电容，降低信号噪声干扰，提高探测器模块的读出性能；还可通过模式切换实现对不同能量的粒子进行测量，拓展粒子测量装置的探测范围；需要注意的是，在使用时，不同厚度的硅探测应对应其中某一模式，从而达到最优的读出性能。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种匹配硅探测器的集成读出器件的电路设计框图；
图2是本发明实施例提供的一种匹配硅探测器的集成读出器件的电荷灵敏前置放大器和极零相消电路原理图；
图3是本发明实施例提供的一种匹配硅探测器的集成读出器件的滤波成形电路原理图。
具体实施方式
现结合附图及实施例对本发明作进一步的描述。
所述基于一种匹配硅探测器的集成读出器件的工作原理如下：
当带电粒子入射到硅半导体探测器时，会在对应的硅探测器中产生不同的能量损失，探测器的输出反映入射粒子能量关系的电荷信号，即探测器输出电荷信号经过与探测器对应连接的电荷灵敏前置放大器，经极零相消、滤波成形、主放大及峰值信号保持后，获得每个对应的所述带电粒子的电压幅度信息；通过理论计算，获得所述每个对应能量的空间带电粒子的不同阈值电压，并进行比较；基于得到的阈值电压并结合所述硅探测器的已知厚度，获得对应的所述空间带电粒子的能量信息。
如图1所示，为本发明实施例1提供的一种匹配硅探测器的集成读出器件的电路设计框图；所述一种匹配硅探测器的集成读出器件，包括：电荷灵敏前置放大器、极零相消、滤波成形、主放大器、峰值保持器、触发器、模拟缓冲输出和模式切换电路，
所述电荷灵敏前置放大器，用于将硅探测器输出的反映带电粒子沉积能量的电荷信号转换成脉冲信号，并传输至所述的极零相消电路；
所述的极零相消电路，用于将电荷灵敏前置放大器输出的脉冲信号转换成单极性信号，并传输至滤波成形电路；
所述的滤波成形电路，用于将极零相消电路输出的单极性信号转换成具有一定上升沿信息的电压信号，并传输至主放大器；
所述的主放大器，用于将滤波成形电路输出的电压信号进行二级放大，并分别传输至峰值保持器和触发器；
所述的峰值保持器，用于将主放大电路输出的电压信号转换为峰值保持信号，并传输至模拟缓冲输出电路；
所述触发器，用于将主放大器输出的电压信号转换为触发信号并输出；
所述模拟缓冲输出电路，用于将峰值保持电路输出的信号进行缓冲驱动输出；
所述选通电路，用于接收输入选通信号，并将模式1或模式2的峰值保持器和触发器输出的峰值保持信号和触发信号进行选通输出。
所述集成读出器件，基于接收的硅探测器输出的电荷信号，进行信号的电荷灵敏前置放大、滤波成形、主放大和峰值保持输出，得到所述带电粒子在硅探测器中的能量损失信息，具体步骤包括：
基于接收的硅探测器输出的电荷信号，采用电荷灵敏反馈前放，并经过极零相消、脉冲成形、主放大及峰值信号保持后，获得每个对应的所述带电粒子的电压幅度信息；通过理论计算，获得所述每个对应能量的带电粒子的不同阈值电压；基于得到的阈值电压并结合所述硅探测器的已知厚度，获得对应的所述空间带电粒子的能量信息。
如图2所示，为本发明实施例1提供的一种匹配硅探测器的集成读出器件的电荷灵敏前置放大器和极零相消电路原理图；
所述电荷灵敏前置放大器，采用阻容反馈型前放基本结构，可用于收集硅探测器输出的正电荷或负电荷；所述电荷灵敏前置放大器，采用高输入阻抗的场效应管(FET)作为前放的输入晶体管；
所述极零相消电路，其时间常数与电荷灵敏前置放大器相匹配；
如图3所示，为本发明实施例1提供的一种匹配硅探测器的集成读出器件的滤波成形电路原理图；所述滤波成形电路，采用有源滤波电器为基本结构；
所述主放大电路，采用电压负反馈结构；
所述模拟缓冲输出器，输入级采用轨到轨结构，输出级采用前馈型结构。
从上述对本发明的具体描述可以看出，本发明将电荷灵敏前置放大器、极零相消、滤波成形、主放大器、峰值保持器、触发器、模拟缓冲输出和模式切换电路等前端电子学集成，减小了前端读出电子学的结构尺寸和重量；还可通过选通电路进行模式切换，匹配不同的探测器使用，实现对不同能量的粒子进行测量，拓展粒子测量装置的探测范围。
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 (10)

1.一种匹配硅探测器的集成读出器件，所述装置与硅探测器相连，其特征在于，所述器件包括：模式选通电路和多路信号处理电路，所述多路信号处理电路中的电路参数设置不同、工作模式不同；
所述模式选通电路，用于根据连接的硅探测器生成选通信号，并根据选通信号选择相应的信号处理电路；
所述信号处理电路，用于接收硅探测器输出的电荷信号，并对电荷信号进行处理，输出对应的电压幅度信息；
所述器件将选通电路和信号处理电路集成。
2.根据权利要求1所述的匹配硅探测器的集成读出器件，其特征在于，所述信号处理电路包括：电荷灵敏前置放大器、极零相消电路、滤波成形电路、主放大器、峰值保持器、触发器和模拟缓冲输出电路，
所述电荷灵敏前置放大器，用于将硅探测器输出的反映带电粒子沉积能量的电荷信号转换成脉冲信号，并传输至极零相消电路；
所述极零相消电路，用于将电荷灵敏前置放大器输出的脉冲信号转换成单极性信号，并传输至滤波成形电路；
所述滤波成形电路，用于将极零相消电路输出的单极性信号转换成具有一定上升沿信息的电压信号，并传输至主放大器；
所述主放大器，用于将滤波成形电路输出的电压信号进行二级放大，并分别传输至峰值保持器和触发器；
所述峰值保持器，用于将主放大电路输出的电压信号转换为峰值保持信号，并传输至模拟缓冲输出电路；
所述触发器，用于将主放大器输出的电压信号转换为触发信号并输出；
所述模拟缓冲输出电路，用于将峰值保持电路输出的信号进行缓冲驱动输出。
3.根据权利要求2所述的匹配硅探测器的集成读出器件，其特征在于，所述器件输出电压幅度信息后，通过理论计算，获得每个对应能量的带电粒子的不同阈值电压；基于得到的阈值电压并结合所述硅探测器的已知厚度，获得对应的空间带电粒子的能量信息。
4.根据权利要求2所述的匹配硅探测器的集成读出器件，其特征在于，所述电荷灵敏前置放大器，采用高输入阻抗的场效应管作为前放的输入晶体管。
5.根据权利要求2所述的匹配硅探测器的集成读出器件，其特征在于，所述电荷灵敏前置放大器，采用阻容反馈型前放基本结构，用于收集硅探测器输出的正电荷或负电荷。
6.根据权利要求2所述的匹配硅探测器的集成读出器件，其特征在于，所述极零相消电路的时间常数与电荷灵敏前置放大器相匹配。
7.根据权利要求2所述的匹配硅探测器的集成读出器件，其特征在于，所述滤波成形电路，采用有源滤波电器为基本结构。
8.根据权利要求2所述的匹配硅探测器的集成读出器件，其特征在于，所述主放大器，采用电压负反馈结构。
9.根据权利要求2所述的匹配硅探测器的集成读出器件，其特征在于，所述模拟缓冲输出电路，输入级采用轨到轨结构，输出级采用前馈型结构。
10.根据权利要求2所述的匹配硅探测器的集成读出器件，其特征在于，所述多路信号处理电路中的电路参数设置不同具体为：电荷灵敏前置放大器的电荷灵敏放大倍数以及主放大器的电压放大倍数不同。
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