赵忠尧奖学金 答辩报告 报告人：张鸿飞 合作导师：王坚 副教授 中国科学技术大学近代物理系 核探测与核电子学国家重点实验室 2015 年 5 月 22 日 1

目录 2  个人简历  工作进展汇报  未来工作计划

个人简历 3  张鸿飞，籍贯：安徽亳州，生于 1988 年 10 月。  今，博士后，核探测与核电子学国家重点 实验室，合作导师：王坚  主要研究领域： 科学级 CCD 成像系统 高速数据处理与数据传输 起止年月单位专业获得学位导师 中国科学 技术大学 物理电子学学士王坚 中国科学 技术大学 物理电子学博士金革 王坚

目录 4  个人简历  工作进展汇报  科学级 CCD 相机系统设计  超低噪声读出技术研究  未来工作计划

CCD 分类 5  按像元结构划分 面阵 CCD 线阵 CCD  按光子入射方式划分 前照式 CCD 背照式 CCD  按应用场合划分 科学级 CCD 商业级 CCD  按读出方式 全帧 CCD 帧转移 CCD 科学级 CCD 商业级 CCD 分辨率 超高，可达数千万像 素 较低，一般几十 - 几百万 读出噪声 超低，一般 2-10 电子 高，一般无要求 读出速度一般较慢快慢均有 峰值量子效率 40%-95%10% 左右 制冷要求必须制冷很少制冷 暗电流 低，有明确的数据指 标 高，无标示 信号采样精度 高于 12 位 8-10 位 应用范围高尖端的科技研究民用或工业的图像显示

科学级 CCD 的优势 6 量子效率高达 90% 以上 光谱响应范围宽 超低读出噪声 分辨率高易于扩展 便于进行实时处理 应用在粒子物理，高能物理，核物理，天体物理等领 域, 进行能谱成像，位置测量，高能粒子探测、核辐射 探测、基于 CCD 的暗物质搜索，天文光学波段 CCD 成 像

关键技术 7 –CCD 信号的低噪声读出 低噪声的前端读出 低噪声的 CCD 驱动 高速高精度 ADC 采样 – 对温度敏感 低温制冷技术 – 阵列探测器，如红外探测器阵列 高集成度，大数据量 阵列通用控制器，高速数据处理和传输

成像系统总体设计方案 8  设备级控制系统  数据获取与传输  前端控制点  CCD 控制器（ CCD 相机）

设计要求 9 高精度低噪声。低噪声读出是科学级 CCD 最重要优势 与特征。 高速数据读出。在保证系统噪声性能的条件下，需要 系统用尽快的速度和方法完成 CCD 数据的读出。 通用性。满足不同型号数量的 CCD 芯片，系统具有一 定的通用性。 可扩展性。为了适应 CCD 相机数量和控制方式上的变 化，需要系统在功能上具有可重构性，在软硬件层面 上具有可扩展能力。

10 CCD 相机结构 CCD 相机设计方案

超低噪声的前端读出 11 – 超低噪声电源，特别是对 BIAS ，噪声要在 uV 量级 – CCD 信号前端读出使用相关采样技术 (CDS) 降低复位噪声、热噪声、 1/f 噪声等。

暗流抑制 低温制冷技术 – 基于 TEC 的低温制冷技术，包括高真空腔体，高 精度温度控制， TEC 制冷技术等

温度控制系统 Thermoelectric cooler 热电杜瓦的设计 TEC 驱动电路 温度控制系统

南极快门保温系统

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成像测试

相机性能测试 系统增益 暗场噪声 系统增益测定为 1.75e-/ADU 系统噪声目前达到 12.4e- (-60 ℃ ) 暗电流 e-/pix/s (-60 ℃ )

数据的获取和传输 基于光纤和 USB 的 CCD 集成系统 – USB2.0 和 USB3.0

数据的获取和传输 基于光纤的远距离传输和集成 – 可以提供 12Gbps 的互联带宽，可以扩展到 20Gbps ，并具有一定的存储容量和基于 FPGA 的 实时处理能力

基于 EPICS 和 RTS2 的成像控制软件

进展总结： 21 设计了 CCD 控制器系统，测试了成像功能，测定了系统噪 声、增益、暗电流等重要参数。 设计了基于 TEC 的真空制冷与温度控制系统。 设计完成了基于光纤和 USB 的数据获取与传输系统。 设计了成像控制系统软件。

22 在目前的成像系统上，进一步研究降低 CCD 读出噪声的技 术 开发新版小型实用化的科学级 CCD 相机系统样机 研究数字滤波技术 前端读出 ASIC 芯片 未来工作计划：

23 You-Qi Nie, Hong-Fei Zhang, Zhen Zhang, etc, Practical and fast quantum random number generation based on photon arrival time relative to external reference, Appl. Phys. Lett. 104, (2014) Hong-fei ZHANG, Jian-min WANG, Ke Cui, Sheng-zhao LIN, Dong-xu Yang and Jian WANG, A data transmission and time measurement system for bit commitment experiment, IEEE 19th REAL-TIME CONFERENCE, May 25-30, 2014, Nara, Japan. Hong-fei ZHANG, Chun-li LUO, Peng-yi TANG, etc, High-speed Arbitrary Waveform Generator Based On FPGA, The th IEEE Nuclear Science Symposium, Oct. 27, 2013, Seoul, Korea Hong-fei ZHANG, Jian WANG ， Ke CUI, Chun-li LUO, LIN Sheng-zhao, ZHOU Lei, LIANG Hao, CHEN Teng-yun, CHEN Kai, PAN Jian-wei, A real-time QKD system based on FPGA ， IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology, Vol. 30, Issue 20, pp (2012) 近年主要论文：

24 一种真随机数生成方法及发生器, 王坚 ; 张鸿飞 ; 崔珂 ; 高原 ; 梁昊 ; 金革，发明专利，申请号 CN 专利号 CN A 一种用于极低温度下的相机快门保温装置及方法，王坚，陈杰，董书成，刘新，张鸿 飞，申请号 CN X 一种量子随机数产生方法及装置，王坚，张鸿飞，谢天宇，王建民，申请号： CN 自动纠偏的无后处理量子随机数产生装置及方法，王坚，王建民，张鸿飞，申请号： CN 专利： 基金： “ 科学级成像系统中高速数字化方法及系统高性能技术的研究 ”— （面上基金 参与） “ 科学级 CCD 探测器电子学读出处理系统中关键技术研究 ” — （中国科学技术大学重要方向项目培育基金 参与） “ 科学级 CCD 成像系统中数字化噪声处理技术研究 ” — （中国科学技术大学青年基金 负责）

谢谢！ 25 感谢核探测与核电子学国家重点实验室和 粒子物理前沿卓越创新中心的支持！