GEM平板探测器读出电子学系统设计

论文摘要

GEM探测器是一种新型微单元结构气体探测器,在粒子物理实验及低能X射线成像领域中有着广泛的应用前景。而好的读出方式是实现这些应用的关键之一。FET读出方式是我们提出的一种GEM探测器新型读出方式,具有制作工艺简单、参数可调、成本低等优点。通过基于分立FET器件读出方式的研究,可以为随后采用ASIC技术或者TFT技术读出GEM探测器提供设计依据。目前实验室已经完成了功能验证试验,正在研制一个基于这种读出方式的三级GEM探测器。为了更好的完成基于FET开关阵列读出方式的GEM探测器的测试任务,作为整个探测器系统的一部分,本论文工作设计了一套多通道实时成像数据采集系统,目标是实现对探测器信号的实时采集和成像。设计中使用了高性能的电荷灵敏前放芯片和高速多通道A/D芯片,并采用了目前比较流行的FPGA控制、嵌入式开发、网络数据采集和LabVIEW虚拟仪器编程等技术。系统包含64路数据采集通道,使用其中16路通道完成了对现有探测器系统的测试,并利用X光机完成了成像试验。测试证明系统有效A/D转换结果大于12bit。在16通道条件下系统可实现30帧/秒的实时成像,数据采集系统速度15Kbyte/s。系统各通道积分非线性小于1.33%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要符号对照表
• 第1章 引言
• 1.1 课题背景
• 1.2 GEM 探测器简介
• 1.3 FET 读出方式简介
• 1.4 课题主要任务
• 第2章 电子学系统结构设计
• 2.1 功能分析
• 2.1.1 模块功能划分
• 2.1.2 模块参数要求
• 2.2 主要芯片选择
• 2.2.1 电荷灵敏前置放大器
• 2.2.2 A/D 转换芯片
• 2.2.3 可编程逻辑控制芯片
• 2.2.4 数据采集接口模块
• 2.2.5 FET 阵列模拟元件
• 2.3 系统结构设计
• 第3章 系统控制程序设计
• 3.1 FPGA 控制程序
• 3.1.1 FET 阵列控制和信号采集
• 3.1.2 A/D 时序控制及数据获取
• 3.1.3 数据采集
• 3.2 网络接口芯片控制程序
• 3.2.1 FPGA 数据获取
• 3.2.2 数据上传
• 3.3 上位机程序
• 3.3.1 程序功能模块划分
• 3.3.2 数据采集
• 3.3.3 结果显示
• 3.3.4 程序具体实现
• 第4章 系统性能测试
• 4.1 通道性能测试
• 4.1.1 测量范围及积分非线性
• 4.1.2 灵敏度
• 4.2 16×16 系统模拟系统结果显示
• 4.3 探测器16×16 成像实验
• 4.4 64×64 系统扩展
• 4.5 结论
• 第5章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 数据采集板原理图
• 附录B FPGA 控制板原理图
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果