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CARIOCA传感器原理简介

发布时间:2023-04-13   作者:wanglu 浏览量:

本文明德扬原创文章,转载注明出处!

CARIOCA传感器是用于检测高能粒子的一种前置放大器,前端连接气体电子倍增器(GEM),后端输出至FPGA进行计数等操作。整套系统组成GEM气体倍增探测器。

气体电子倍增器(GEM) 器件主要由漂移电极、GEM 复合薄膜和收集电极(PCB 读出电极) 三层组成, 由窗口和衬底密闭成一个气体室, 由进气口和出气口充入流动的工作气体。GEM 复合薄膜是在一层约50 um 厚的聚酰亚胺( kapton) 层的两侧涂覆有铜膜, 并蚀刻高密度的孔, 当在漂移电极、收集电极和GEM 膜两侧施加合适的电压时, 由X 射线产生的初始电子将在漂移电场的作用下进入GEM 膜的微孔, GEM 膜微孔内的强电场使电子发生倍增放大, 倍增后的部分电子在收集电场的作用下到达收集电极产生信号并被外加电路系统读出。GEM结构示意图如图所示:


CARIOCA传感器则是用于读出GEM探测器的一种前置放大器,他总共由4部分组成:

① 前置放大电路

前置放大电路负责将电荷信号转换为电压信号,然后经过一级缓冲器获得稳定的信号。该部分采用差分放大的模式,具体结构如图所示:


 快速整形电路

X射线在漂移电极产生的初始电子通过GEM膜所产生的信号会有较大的拖尾,因此需要在前置放大电路后端增加一个快速整形电路,以削减信号的拖尾长度。电路结构如图所示:

鉴别器电路


鉴别器电路可以理解为一个阈值检测电路。脉冲峰值如果低于设定好的阈值,则视为0,反之则为1。鉴别器电路的阈值由一个差分电压信号来设定。

LVDS驱动器

上述三部分电路可以将GEM传感器采集到的电荷信号,根据设定好的阈值,输出高低电平。为了传输时减小对前端放大电路的干扰,以及匹配后端数字电路,增加了一个LVDS驱动器。可以将上述电路输出的高低电平转换为标准的LVDS信号以方便后端采集。整体电路结构如图所示:


上述电路结构为单通道采集电路。一个CARIOCA传感器包含16个通道,可以同时检测16路GEM电荷信号。单个CARIOCA传感器体积非常小,仅有80mm*20mm。因此多个CARIOCA传感器配合大面积GEM传感器便可为大面积GEM探测的实现提供了可能。


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