一种用于粒子探测器的前端读出电子学电路制造技术

本发明专利技术涉及一种用于粒子探测器的前端读出电子学电路，其包括：大动态范围电荷灵敏前放电路，用于将粒子探测器输出的电荷脉冲信号转换为电压信号；全量程实现电路，用于对多通道电荷灵敏前放电路输出的电压信号进行伪差分运算，实现ADC模块的满量程使用；ADC模块，用于全量程实现电路输出的电压信号进行数字化处理，得到粒子的特征信息；FPGA模块，用于对多通道电荷灵敏前放电路和ADC模块进行控制和数据采集。本发明专利技术可以满足探测器系统对大动态范围测量的前端电子学电路迫切需求，并且降低了功耗和成本，非常适合应用于地面粒子探测实验装置和空间卫星等领域以及其它相关领域，具有较强的实用性。较强的实用性。较强的实用性。

【技术实现步骤摘要】
一种用于粒子探测器的前端读出电子学电路


[0001]本专利技术涉及电子学系统
，特别涉及一种用于粒子探测器的前端读出电子学电路。

技术介绍

[0002]高能核物理和粒子物理实验中加速器或者对撞机的能量范围之广，需要探测很宽能量范围粒子事例，所以需要有适应大动态范围的电子学读出电路。近30年来，探测器和电子学读出系统都取得了很大的发展，在探测器方面出现了时间投影室、硅微条探测器、晶体阵列探测器等新型探测器；在电子学方面出现了专用集成电路ASIC器件，高速模拟数字转换器Flash ADC以及无死时间的时间
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数字转换TDC电路等。
[0003]但是，随着探测需求的不断发展，对电子学系统的要求也越来越高，对于能够实现大动态范围测量的前端电子学电路迫切需要，并且尽量降低系统功耗和成本等。如兰州重离子加速器外靶终端的伽马球探测器系统，由1024块碘化铯晶体阵列组成，需要1024路读出电子学通道，需要探测的粒子能量范围从几Mev至1Gev。又如宇宙空间探测，在太空中宇宙线粒子的能量更加宽泛，最高能量范围可达Tev。这两种情况下，前端电子学读出电路若不做稍加处理，是探测不到全部能量范围的粒子的。探测到低能量的粒子，高能量的粒子往往就因为电路饱和探测不到了。探测到高能量范围的粒子，低能量的粒子往往因为电路放大倍数太小探测不到。

技术实现思路

[0004]针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种用于粒子探测器的前端读出电子学电路，该电路使用极少数量的元器件实现了粒子探测器的大动态能量范围的测量。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：
[0006]一种用于粒子探测器的前端读出电子学电路，其包括：大动态范围电荷灵敏前放电路，用于将粒子探测器输出的电荷脉冲信号转换为电压信号；全量程实现电路，用于对所述大范围电荷灵敏前放电路输出的电压信号进行伪差分运算，实现ADC模块的满量程使用；ADC模块，用于对所述全量程实现电路输出的伪差分运算结果进行数字化处理，并发送到FPGA模块；FPGA模块，用于对所述大动态范围电荷灵敏前放电路和ADC模块进行控制和数据采集，进而得到粒子的特征信息。
[0007]进一步，所述大动态范围电荷灵敏前放电路包括并联设置的放大支路、电阻支路以及若干反馈电容支路，且各支路的输入端均与粒子探测器的输出端相连，各支路的输出端均与所述全量程实现电路的输入端相连；所述放大支路上设置有运算放大器，用于对粒子探测器输出的电荷脉冲信号进行放大并转换成等比例电压信号；所述电阻支路上设置有电阻，用于泄放电容支路上积累的电荷，并稳定运算放大器的工作点；各所述反馈电容支路上分别设置有一反馈电容，且各所述反馈电容支路的输出端均通过模拟开关模块与所述全量程实现电路的输入端相连，所述模拟开关模块用于在FPGA模块的控制下导通相应反馈电
容支路。
[0008]进一步，所述模拟开关模块为低容抗快速多通道模拟开关。
[0009]进一步，所述全量程实现电路包括：ADC正极输入支路和ADC负极输入支路；
[0010]所述ADC正极输入支路上设置有第一～第二电容、第一～第三电阻和第一～第二二极管；所述第一电容作为隔直电容，用于滤除直流；所述第一电阻和第二电容组成低通滤波电路，用于对输入所述ADC模块的电压信号进行滤波；所述第二电阻和第三电阻作为分压电阻，所述第二电阻的另一端与所述ADC模块的模拟供电电压相连，所述第三电阻的另一端接地；所述第一～第二二极管用于防止输入的电压信号超出ADC模块的绝对最大规格；
[0011]所述ADC负极输入支路上设置有第四～第六电阻和第三～第四电容；所述第四电阻和第五电阻作为分压电阻，所述第四电阻的另一端接所述ADC模块的模拟供电电压，所述第五电阻的另一端接地；所述第六电阻和第四电容组成低通滤波电路；所述第三电容作为滤波电容，其两端分别连接所述ADC正极输入电路和ADC负极输入电路。
[0012]进一步，所述第一电阻和第六电阻阻值相等；所述第二电阻取值100K欧姆，所述第三～第五电阻取值1K欧姆。
[0013]进一步，所述第一电容取值10nF
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100nF；所述第二电容和第四电容取值相等；所述第三电容取值为所述第二电容和第四电容的10倍以上。
[0014]进一步，所述第二～第四电容采用NPO或者COG材质电容器。
[0015]进一步，所述第一～第二二极管采用肖特基二极管。
[0016]进一步，所述第一～第二二极管采用BAT54S肖特基二极管。
[0017]本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
[0018]1、本专利技术通过加入低容抗快速多通道模拟开关，使电荷灵敏前放接不同容值的反馈电容，实现了探测器大动态能量范围的测量；
[0019]2、本专利技术在电荷灵敏前放的输出端接入由电阻、电容和二极管组成的ADC全量程实现电路，该电路内还设计ADC输入保护电路和低通滤波电路，实现了ADC输入电压幅度达到ADC模拟电源电压VCC。
[0020]综上，本专利技术提供的技术方法，可以满足探测器系统对大动态范围测量的前端电子学电路迫切需求，并且降低了功耗和成本，非常适合应用于地面粒子探测实验装置和空间卫星等领域以及其它相关领域，具有较强的实用性。因此，本专利技术可以广泛应用电子学系统

附图说明
[0021]通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本专利技术的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
[0022]图1是本专利技术实施例提供的用于粒子探测器的前端读出电子学电路结构示意图；
[0023]图2是本专利技术实施例提供的大动态范围电荷灵敏前放电路实现框图；
[0024]图3是本专利技术实施例提供的全量程ADC输入电路实现框图。
具体实施方式
[0025]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例的附图，对本专利技术实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本专利技术的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0026]需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0027]本专利技术提出的一种用于粒子探测器的前端读出电子学电路，研究了如何将粒子探测器输出的电荷脉冲信号与ADC(模拟到数字转换器)输入端进行连接，以得到能够实现大动态范围的测量。在实际工作环境中，能否保持大动态范围和低噪声与采用良好的电路设计技术密切相关。粒子本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于粒子探测器的前端读出电子学电路，其特征在于，包括：大动态范围电荷灵敏前放电路，用于将粒子探测器输出的电荷脉冲信号转换为电压信号；全量程实现电路，用于对所述大范围电荷灵敏前放电路输出的电压信号进行伪差分运算，实现ADC模块的满量程使用；ADC模块，用于对所述全量程实现电路输出的伪差分运算结果进行数字化处理，并发送到FPGA模块；FPGA模块，用于对所述大动态范围电荷灵敏前放电路和ADC模块进行控制和数据采集，进而得到粒子的特征信息。2.如权利要求1所述的一种用于粒子探测器的前端读出电子学电路，其特征在于，所述大动态范围电荷灵敏前放电路包括并联设置的放大支路、电阻支路以及若干反馈电容支路，且各支路的输入端并联后与粒子探测器的输出端相连，各支路的输出端并联后与所述全量程实现电路的输入端相连；所述放大支路上设置有运算放大器，用于对粒子探测器输出的电荷脉冲信号进行放大并转换成等比例电压信号；所述电阻支路上设置有电阻，用于泄放电容支路上积累的电荷，并稳定所述运算放大器的工作点；各所述反馈电容支路上分别设置有一反馈电容，且各所述反馈电容支路的输出端均通过模拟开关模块与所述全量程实现电路的输入端相连，所述模拟开关模块用于在所述FPGA模块的控制下导通相应反馈电容支路。3.如权利要求2所述的一种用于粒子探测器的前端读出电子学电路，其特征在于，所述模拟开关模块为低容抗快速多通道模拟开关。4.如权利要求1所述的一种用于粒子探测器的前端读出电子学电路，其特征在于，所述全量程实现电路包括：ADC正极输入支路和ADC负极输入支路；所述ADC正极输入支路上设置有第一～第二电容、第一～第三电阻和第一～第...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨海波，赵承心，李先勤，牛晓阳，张月昭，
申请(专利权)人：中国科学院近代物理研究所，
类型：发明
国别省市：