小型THGEM探测器读出及应用 刘倩 中国科学院研究生院 2012-1-5.

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1 小型THGEM探测器读出及应用 刘倩 中国科学院研究生院

2 THGEM读出方式 直流 计数 特点：测量累计效应，主要用于成像监测等。 应用范围：同步辐射，X成像等。 取数速率：~kHz
根据需探测的（物理）对象来决定。 直流 特点：测量累计效应，主要用于成像监测等。 应用范围：同步辐射，X成像等。 取数速率：~kHz 计数 特点：信号快，可用于触发系统或者用于单个径迹事例的寻找。 应用范围：单光子测量，触发，微区计量测量，医学成像等。 取数速率：~MHz 充分利用THGEM的特点：增益的幅度范围大，信号快

3 X射线的绝对强度测量 强度的定义是单位时间内单位面积通过的总能量。 皮安表 单Pad，通过皮安表读出电流值测量X射线的强度。
直流读出应用之一 强度的定义是单位时间内单位面积通过的总能量。 皮安表 单Pad，通过皮安表读出电流值测量X射线的强度。

4 X射线的相对强度的二维空间分布测量 16路pad 射线源为漫衍射组直流X-ray 管装置（17 keV 钼靶）、连续曝光时间最长 5 秒 。
直流读出应用之二 16路pad 射线源为漫衍射组直流X-ray 管装置（17 keV 钼靶）、连续曝光时间最长 5 秒 。

5 直流前方性能测试及实验结果 直流前方的输入电流(X)与输出电压(Y)的关系。
直流读出应用之二 直流前方的输入电流(X)与输出电压(Y)的关系。 测量多个点后得到距离X射线管71.5cm到101.5cm处X射线相对强度的棋盘型二维空间分布 可见输入电流为 （-0.1nA~-50nA）的范围内放大器线性度都很好。

6 一维弧形无像差THGEM X射线衍射仪 直流读出应用之三 多晶样品由无数小晶粒组成，晶面取向是随机的，当一束经过准直的X射线照射到粉末多晶体样品时, 得到张角不同的圆锥，在与轴线相垂直的平面上投影得到大小不同的圆环。测出圆锥的张角，即可根据布拉格方程确定晶体的点阵晶面间距、晶胞大小和类型等信息。

7 一维弧形无像差X射线衍射仪设计 利用薄型THGEM容易弯曲而且耐用的特性，提出了一种新型的一维弧型无像差THGEM X射线衍射探测器。
直流读出应用之三 利用薄型THGEM容易弯曲而且耐用的特性，提出了一种新型的一维弧型无像差THGEM X射线衍射探测器。 Radius半径: 20cm, anode readout strips读出条: 512路（32-64 路）, pitch 0.5mm (strip~0.4mm), 设计角分辨0.2°

8 advantage: parallax error free
x-ray tube (Mo target 17 keV) curved chamber advantage: parallax error free DDC232 readout board 1-3 kHz data rate 32 Channel Current-Input 20-bit ADC Collimator 1mm width Fig right: current distribution along strips (slit width 0.5mm) Spatial resolution: σ~ 1.4 pitch ~ 0.7mm

9 宇宙射线µ子描迹仪 计数读出应用之一 核物理实验的教学课程之一。

10 宇宙射线µ子描迹仪 SGS card （ALEPH流光管） 16路前方（BES漂移室用） 32路甄别及移位寄存器
计数读出应用之一 SGS card （ALEPH流光管） 16路前方（BES漂移室用） 32路甄别及移位寄存器 SGS 卡内部芯片集成了甄别及成形器以及移位寄存器，同时可以给出输入信号的DigitalOR信号，可利用此信号作系统触发，每块SGS卡负责采集32路前置放大器的信号，通过甄别器转换成数字脉冲信号送入移位寄存器，等待触发信号DigitalOR选通，数字信号由移位寄存器串行输出。

11 宇宙射线µ子描迹仪 计数读出应用之一 实验装置：两层GEM作为描迹仪 在线事例显示宇宙线事例

12 监测仪及其他应用 作为计数模式，电子学小型化快速化是其得到应用的要求。
计数读出应用之二 作为计数模式，电子学小型化快速化是其得到应用的要求。 测试使用CERN And RIO Current mode Amplifier (CARIOCA)芯片。每片八路，包括前方，整型，甄别，差分并行输出。其取数率可达1MHz。 ~（62mm X 68 mm)

13 CARIOCA Specifications
FE-chip specifications: Peaking time ~ 10ns Rin: < 50  Cdet : pF Noise: <2fC for Cdet=250pF Rate: up to 1MHz Pulse width: < 50ns Dose: up to 1Mrad 3x4mm prototype, (2.5x3mm final) FE-chip ‘CARIOCA’: 0.25m CMOS technology 8 channel ASD fully differential 10ns peaking time 30mW/channel UFRJ Rio, CERN

14 10fc-40fc

15 CARIOCA特性 计数读出应用之二

16 GASTONE GEM Amplifier Shaper Tracking ON Events
计数读出应用之二 一片64路，串行输出。 最高传输速率可达100 Mbit/s

17 GASTONE特性 计数读出应用之二 GASTONE CARIOCA Sensitivity (o pF) 22 mV/fC
14.5 mV/fC (pos) – 13.8 mV/fC (neg) ZIN 120 Ω (0-105 Hz) < 50 Ω CDET 1 – 50 pF 10 – 200 pF Peaking time 90 – 200 nS (1 -50 pF) 10 – 15 nS Noise (erms) 800 e e-/pF 416 e e/pF Baseline restorer no yes Channels/chip 64 8 Readout Digital/Serial LVDS (8 chs) Power consumption ≈ 0.7 mA/ch ≈ 19 mA/ch GASTONE Threshold sensing/setting 8 bits ADC/DAC (16 chs modularity) Single channel monostable for Digital/Serial

18 结论 根据测量对象的不同来选取不同的THGEM读出方式。尤其是在电流读出时，充分利用THGEM增益可调的特性，从而可以得到较大范围的测量范围。 电子学的发展方向是小型，密集，快速。这也是THGEM能够得到广泛应用的前提之一。 希望能与大家合作，将THGEM电子学ASIC化，小型化。

19 谢谢！