CN115390123A - 一种可变增益粒子探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可变增益粒子探测器，包括依次电性连接的阴极前置放大模块、信号处理模块SPM和高压控制模块HVCM，其中，阴极前置放大模块感应电流信号并放大；信号处理模块SPM通过微分和峰值检测展宽对电流信号处理形成控制信号；高压控制模块HVCM产生高压调节脉冲加载至气体电子雪崩增益结构，本发明的探测器在当中子入射时，产生出射粒子和电离电子，电子开始匀速漂移在阴极感应出电流信号，阴极感应信号经前置放大器积分放大，前置放大器信号的上升沿经过信号处理模块SPM微分和峰值检测展宽之后，信号处理模块SPM输出控制信号，信号处理模块SPM输出的控制信号经过延迟之后输入高压控制模块HVCM，产生高压调节脉冲降低气体电子雪崩增益结构工作电压幅度，实现时间投影室TPC增益的动态调节。
Description
技术领域
本发明涉及粒子探测器技术领域，尤其涉及一种可变增益粒子探测器。
背景技术
时间投影室(Time Projection Chamber，TPC)是粒子物理与核物理领域广泛应用的粒子探测器。通过粒子径迹长度的测量，TPC可同时对中子-质子弹性散射(np弹散)和裂变反应进行测量和鉴别，利用高精度的np弹散数据作为参考截面以提高裂变截面的测量精度。
np弹散是目前精度最高的中子标准截面反应，以np弹散为参考截面进行测量，将大大提高裂变截面的测量精度。当入射中子能量在15MeV以上时，前向散射质子的能量也将超过10MeV。考虑15MeV的质子，通过计算可以得到，其在气压为1atm的氩气中的能损为4keV/mm。而对于裂变碎片，例如235U裂变产生的75MeV的144Ba，其在1atm氩气中的单位距离能损为6.4MeV/mm。裂变碎片的能损与散射质子的能损之比约为1600，考虑到探测器和电子学的固有噪声及外界的噪声干扰，电子学的动态范围需达到约5000倍的水平，才可同时对散射质子和裂变碎片进行有效测量。目前已有的TPC电子学系统达到了2000倍的动态范围，但依然难以实现探测器系统理想的设计指标。
为有效测量10MeV以上的质子，TPC的电子雪崩增益应达到1E4量级，这样产生的信号才具有足够高的信噪比。在此增益下，与中子发生弹散出射的重核(如气体中的氩原子核)及裂变碎片电离产生的电子经过雪崩增益之后的电荷量将达到1E9/mm量级，容易造成探测器放电打火，影响探测器的稳定正常工作，造成数据采集效率降低及数据可靠性下降。因此，从探测器工作稳定性的角度出发，采用恒定增益的探测器不利于裂变截面的实验测量。
为了能在后续的研究中将TPC应用于裂变截面的实验测量，需要解决动态范围不足的问题。常规的扩大电子学动态范围的方法有很大的技术挑战且研制成本很高，在目前的技术水平下不具有较高的可行性。本发明从另一个思路着手，提出采用可变增益技术，通过动态调节TPC的高压，使TPC增益随出射粒子能量的增加而降低，使得探测器对粒子能量的响应由线性响应转换为非线性响应，这样可降低对读出电子学动态范围的需求，同时可确保探测器的稳定正常工作，实现裂变碎片和散射质子的同时有效测量。
因此，有必要提供一种可变增益粒子探测器解决上述技术问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种可变增益粒子探测器用于解决为了能在后续的研究中将TPC应用于裂变截面的实验测量，需要解决动态范围不足的问题，而常规的扩大电子学动态范围的方法有很大的技术挑战且研制成本很高，在目前的技术水平下不具有较高的可行性的问题。
本发明提供的一种可变增益粒子探测器，包括依次电性连接的阴极前置放大模块、信号处理模块SPM和高压控制模块HVCM，其中，
阴极前置放大模块，用于积分放大在中子入射后，迫使电子匀速漂移产生的被阴极感应的电流信号；具体的，当中子入射时，产生出射粒子和电离电子，电子开始匀速漂移在阴极感应出电流信号；
信号处理模块SPM，用于接受阴极前置放大模块积分放大后的电流信号，并在信号处理模块SPM内依次经过微分处理和峰值检测展宽处理，形成含有粒子能量信息的控制信号；具体的，阴极感应信号经前置放大器(PA)积分放大，前置放大器(PA)信号的上升沿经过信号处理模块SPM微分和峰值检测展宽之后，信号处理模块SPM输出控制信号；
高压控制模块HVCM，用于接受信号处理模块SPM输出的控制信号，该控制信号经过高压控制模块HVCM处理产生高压调节脉冲，最后利用交流耦合方式加载至气体电子雪崩增益结构，用于降低气体电子雪崩增益结构工作电压幅度；具体的，信号处理模块SPM输出的控制信号经过延迟之后输入高压控制模块HVCM，产生高压调节脉冲，输出至气体电子雪崩增益结构，以降低气体电子雪崩增益结构工作电压幅度，实现时间投影室TPC增益的动态调节。
优选的，所述阴极前置放大模块为由场效应管作为输入的电容负反馈电荷积分放大电路；具体的，该电路为场效应管作为输入的电容负反馈电荷积分电路，其中放大电路部分主要采用差分放大结构和共射放大电路，输出级采用推挽功率输出电路。
优选的，所述积分放大电路中的放大电路包括差分放大结构和共射放大电路，且输出级采用推挽功率输出电路。
优选的，所述信号处理模块SPM由微分电路和峰值检测电路构成，且微分电路电性连接在峰值检测电路的信号输入端；具体的，阴极前置放大器(PA)信号的前沿斜率与时间投影室TPC中电离电子数量与漂移速度的乘积成正比，因此通过微分得到阴极前置放大器(PA)信号的上升沿斜率，可以间接得到入射粒子的电离电子数量及入射粒子的能量。
优选的，在信号处理模块SPM和高压控制模块HVCM之间还设置有延迟块，且延迟块的延迟时间大于从阴极信号起始点到信号处理模块SPM中微分信号峰值点的时间。
优选的，所述高压控制模块HVCM由一级反相放大电路和由两级金属氧化物场效应管构成的高压放大电路构成，控制信号经过一级反相放大电路后，通过交流耦合的方式向气体电子雪崩增益结构输入高压调节脉冲降低气体电子雪崩增益结构工作电压幅度。
优选的，所述气体电子雪崩增益结构为微网气体电子倍结构、气体电子倍增膜结构、多丝正比室结构或者微条气体计数器结构其中一个。
与相关技术相比较，本发明提供的一种可变增益粒子探测器具有如下有益效果：
本发明的探测器在当中子入射时，产生出射粒子和电离电子，电子开始匀速漂移在阴极感应出电流信号，阴极感应信号经前置放大器积分放大，前置放大器信号的上升沿经过信号处理模块SPM微分和峰值检测展宽之后，信号处理模块SPM输出控制信号，信号处理模块SPM输出的控制信号经过延迟之后输入高压控制模块HVCM，产生高压调节脉冲，输出至气体电子雪崩增益结构，以通过正信号的高压调节脉冲降低气体电子雪崩增益结构工作电压幅度，实现时间投影室TPC增益的动态调节，解决大动态范围测量的问题。
附图说明
图1为本发明的增益调节原理示意图(气体电子雪崩增益结构以微网气体电子倍增结构Micromegas为例)；
图2为本发明的信号处理模块SPM和高压控制模块HVCM电路结构示意图；
图3为本发明的前置放大器采用不同积分时间的输出波形示意图；
图4为本发明的动态高压调节信号时序。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。
一种可变增益粒子探测器，动态增益调节的原理如图1所示，当有大能量粒子出射时，阴极信号首先经过前置放大器放大，然后输入信号处理模块SPM，信号处理模块SPM对阴极前置放大器(PA)信号进行处理，得到包含粒子能量信息的控制信号；而后控制信号输入高压控制模块HVCM，高压控制模块HVCM对输入的控制信号进行放大处理，在入射粒子的电离电子漂移到达气体电子雪崩增益结构之前，完成高压调节脉冲的加载，降低气体电子雪崩增益结构工作电压幅度，实现TPC增益的动态调节。
具体的，TPC的阴极前置放大器电路基本结构为场效应管作为输入的电容负反馈电荷积分电路，其中，放大电路部分主要采用差分放大结构和共射放大电路，输出级采用推挽功率输出电路；
在该前置放大器电路种，其反馈电容为1pF，可获得较大的增益，前置放大器设计通常采用较大的积分时间(例如100us以上)以获得较好的能量分辨，这种情况下由于电子在TPC中为匀速漂移，前置放大器(PA)的输出信号前沿近似为直线上升的波形(如图2所示)，该波形经信号处理模块SPM中微分电路处理之后，峰值位置不确定，为确保准确检测到信号处理模块SPM中的微分电路输出信号的峰值，将阴极前置放大器(PA)的积分时间设计为10us，略大于电子在TPC中的漂移时间，这样前置放大器(PA)信号在前沿起始点附近具有最大斜率，经微分之后能迅速达峰，且峰值位置比较准确(如图2所示)。
信号处理模块SPM的电路结构如图3所示，该模块由微分电路和峰值检测电路构成，阴极前置放大器(PA)信号的前沿斜率与TPC中电离电子数量与漂移速度的乘积成正比，因此通过微分得到阴极前置放大器(PA)信号的上升沿斜率，可以间接得到入射粒子的电离电子数量及入射粒子的能量；
这种方法比读取前置放大器信号最高点能更快得到粒子能量信息，可在电离电子漂移到达气体电子雪崩增益结构之前生成控制信号并完成对高压的调节；而如果采用常规的读取前置放大器(PA)波形峰值的方法获取入射粒子能量，当前置放大器(PA)信号到达峰值时，所有电离电子都已完成漂移过程到达气体电子雪崩增益结构，将没有充足的时间余量进行高压调节。
微分处理后输入峰值检测电路，该电路将检测到的峰值进行保持并展宽，形成控制信号，其中，控制信号宽度略大于电子在TPC中的漂移时间，确保所有电子收集之前，气体电子雪崩增益结构的高压均保持在动态设置的高压。
信号处理模块SPM的信号输出经过一个延迟块之后进入高压控制模块HVCM，该延迟块的延迟时间略大于从阴极信号起始点到SPM中微分信号峰值点的时间，这样保证在峰值检测电路检测到微分信号峰值之前，TPC场笼内的电场保持为匀强场，这样电子漂移的过程在峰值检测之前不会受到高压调节的影响，保证峰值检测的准确性；
在控制信号输入高压控制模块HVCM之后，先经过一级反相放大电路，然后交流耦合输入由两级金属氧化物场效应管构成的高压放大电路，最后采用交流耦合的方式加载至气体电子雪崩增益结构，实现对增益的调节。
上述的各模块工作时的信号时序汇总如图4所示：当中子入射时，产生出射粒子和电离电子，电子开始匀速漂移在阴极感应出电流信号。阴极感应信号经前置放大器(PA)积分放大，前置放大器(PA)信号的上升沿经过信号处理模块SPM微分和峰值检测展宽之后，信号处理模块SPM输出控制信号，而后信号处理模块SPM控制信号经过延迟之后输入高压控制模块HVCM，产生高压调节脉冲，输出至气体电子雪崩增益结构，因为气体电子雪崩增益结构的基准工作电压为负高压，为了降低其工作电压幅度，加载的高压调节脉冲为正信号。
在本申请中，气体电子雪崩增益结构可以是微网气体电子倍增结构、气体电子倍增膜结构、多丝正比室结构、微条气体计数器结构，但不限于此，；信号处理模块SPM的电路中微分电路结构或峰值检测电路采用调整的电路结构和元件参数；高压控制模块HVCM的电路中采用调整的放大电路结构和元件参数；探测器采用其他类型的工作介质，如液体介质、半导体介质等；探测器采用其他几何形状，如方形、圆柱形、多边形、条形等。
本发明提供的一种可变增益粒子探测器的工作原理如下：本发明的探测器在当中子入射时，产生出射粒子和电离电子，电子开始匀速漂移在阴极感应出电流信号，阴极感应信号经前置放大器积分放大，前置放大器信号的上升沿经过信号处理模块SPM微分和峰值检测展宽之后，信号处理模块SPM输出控制信号，信号处理模块SPM输出的控制信号经过延迟之后输入高压控制模块HVCM，产生高压调节脉冲，输出至气体电子雪崩增益结构，以通过正信号的高压调节脉冲降低气体电子雪崩增益结构工作电压幅度，实现时间投影室TPC增益的动态调节。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (7)
1.一种可变增益粒子探测器，其特征在于，包括依次电性连接的阴极前置放大模块、信号处理模块SPM和高压控制模块HVCM，其中，
阴极前置放大模块，用于积分放大在中子入射后，电子匀速漂移产生的被阴极感应的电流信号；
信号处理模块SPM，用于接受阴极前置放大模块积分放大后的信号，并在信号处理模块SPM内依次经过微分处理和峰值检测展宽处理，形成含有粒子能量信息的控制信号；
高压控制模块HVCM，用于接受信号处理模块SPM输出的控制信号，该控制信号经过高压控制模块HVCM处理产生高压调节脉冲，最后利用交流耦合方式加载至气体电子雪崩增益结构，用于降低气体电子雪崩增益结构工作电压幅度。
2.根据权利要求1所述的一种可变增益粒子探测器，其特征在于，所述阴极前置放大模块为由场效应管作为输入的电容负反馈电荷积分放大电路。
3.根据权利要求2所述的一种可变增益粒子探测器，其特征在于，所述积分放大电路中的放大电路包括差分放大结构和共射放大电路，且输出级采用推挽功率输出电路。
4.根据权利要求1所述的一种可变增益粒子探测器，其特征在于，所述信号处理模块SPM由微分电路和峰值检测电路构成，且微分电路电性连接在峰值检测电路的信号输入端。
5.根据权利要求1所述的一种可变增益粒子探测器，其特征在于，在信号处理模块SPM和高压控制模块HVCM之间还设置有延迟块，且延迟块的延迟时间大于从阴极信号起始点到信号处理模块SPM中微分信号峰值点的时间。
6.根据权利要求1所述的一种可变增益粒子探测器，其特征在于，所述高压控制模块HVCM由一级反相放大电路和由两级金属氧化物场效应管构成的高压放大电路构成，控制信号经过一级反相放大电路后，通过交流耦合的方式向气体电子雪崩增益结构输入高压调节脉冲降低气体电子雪崩增益结构工作电压幅度。
7.根据权利要求1所述的一种可变增益粒子探测器，其特征在于，所述气体电子雪崩增益结构为微网气体电子倍增结构、气体电子倍增膜结构、多丝正比室结构或者微条气体计数器结构其中一个。
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