博士论文-光电倍增管前端读出专用集成电路设计

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题名	博士论文-光电倍增管前端读出专用集成电路设计
作者	严雄波
学位类别	博士
答辩日期	2011
授予单位	中国科学院研究生院
授予地点	北京
导师	赵京伟 ; 王铮
关键词	专用集成电路光电倍增管读出电荷测量时间测量低噪声高动态范围线性好
学位专业	核技术及应用
中文摘要	宇宙线是来自宇宙深处的高能粒子流，主要由质子和多种其他粒子组成，它携带着宏观宇宙、微观世界和空间环境的科学信息，联系着宇宙的历史、天体的演化、空间的环境和许多未解的科学之谜。随着高能物理的发展，宇宙线探测已经成为一个新的热点，特别是通过对中微子、m子、g粒子的探测，寻找反物质、暗物质，已经引起了物理学的一场新的革命，也是人类面临的一次挑战。作为高能物理研究机构，中国科学院高能物理研究所也将计划与国内外科研单位或高校合作，在西藏羊八井建造大型高海拔空气簇射观测站（简称LHAASO），并对高海拔宇宙线进行探测研究，特别是高能g粒子的研究，寻找宇宙线起源。; LHAASO试验中的探测器均为闪烁体探测器，采用光电倍增管读出，由于其探测器单元数目庞大，传统的采用分立器件搭建探测器信号读出系统已经不能满足高密集型探测器的需要，也不符合节能减排的环保理念。因此，采用专用集成电路实现探测器信号采集和处理，已经成为大型或高密集型高能物理实验装置读出系统的必然发展趋势。本论文主要介绍了一种适用于光电倍增管（PMT）读出的探测器前端电子学读出芯片的设计工作，主要设计对象是LHAASO中的切伦科夫探测器。文中简单介绍了国内外核电子学及专用集成电路的发展情况，通过分析LHAASO实验探测器的输出信号特点具体，确定了前端读出电子学的设计要求。通过方案对比，采用传统的探测器读出电子学方法，用两个通道分别测量信号的电荷（或能量）和时间信息。芯片采用高、低两个量程，分别处理大信号和小信号，降低了系统对模数转换器的动态范围，减小了整个读出系统成本。通过对光电倍增管连接方式和读出方式研究，确定采用电容比例放大的前置放大器，并且可以根据光电倍增管增益的不一致性调节前置放大器增益。通过对电荷读出方案的噪声分析和MATLAB仿真，确定了慢成形网络的结构及成形时间常数。设计采用了一种新颖的寻峰方式，采用触发可控延迟实现慢成形输出信号峰值采样。文中还详细介绍了一种经过温度效应二次补偿的低温度系数的带隙基准电压源的设计原理和实现方法。; 芯片集成了16个相同的模拟通道，每个通道主要包括前置放大器、慢成形、快成形、甄别器和寻峰电路等，并能根据输入信号大小自动选择输出量程。16个通道的电荷信息由时钟控制串行输出，触发信号并联输出。仿真结果表明，芯片能够实现输入范围为1-3000个光电子的测量，并在整个输入范围内的积分非线性度小于1%，输入等效噪声小于0.1个光电子，能够实现15位的动态范围，和国外同类芯片性能相当，能够很好的满足探测器对电子学的需求，达到了预期的设计目标。
语种	中文
学科主题	核技术及应用
公开日期	2016-02-25
内容类型	学位论文
源URL	[http://ir.ihep.ac.cn/handle/311005/210550]
专题	实验物理中心_学位论文和出站报告高能物理研究所_实验物理中心
作者单位	中国科学院高能物理研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	严雄波. 博士论文-光电倍增管前端读出专用集成电路设计[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2011.