MICROMEGAS位置编码 读出研究 胡荣江, 段利敏, 杨贺润, 鲁辰桂, 李祖玉, 靳根明, 马朋 中科院近代物理研究所

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1 MICROMEGAS位置编码 读出研究 胡荣江, 段利敏, 杨贺润, 鲁辰桂, 李祖玉, 靳根明, 马朋 中科院近代物理研究所
2012年1月5日-高能所,北京 2019/4/18

2 报告内容 问题提出的背景 一维位置编码的实现 二维位置编码的实现 总结-位置编码读出的优缺点 2019/4/18

3 问题提出的背景 一维位置编码的实现 二维位置编码的实现 总结-位置编码读出的优缺点 2019/4/18

4 Micromegas简介 MICROMEGAS探测器是一种工作在正比区的微结构平行板气体探测器。其结构是由一张网状栅极薄膜将探测器分成不对称的两部分：间隙较大的区域称为漂移区，间隙较小的区域称为雪崩放大区。通常漂移区的间距在几个毫米，电场强度在几kV/cm；雪崩放大区的间距在50~100微米，电场强度在几十kV/cm。 MICROMEGAS原理图 良好的位置分辨<100um 高增益>104 高计数率～ 107mm-2·s-1 结构简单，容易做成大面积 2019/4/18

5 Micromegas应用 粒子物理 核物理 核天体物理 医学成像 材料科学 安全检查 …… 2019/4/18

6 Micromegas读出方式 1d 2d 3d Pixel …… 2019/4/18

7 Micromegas电子学问题 解决方法：
一维条状读出：其典型的条宽是 mm，电极间的间隙是80-100mm。有效面积10×10cm2的MICROMEGAS探测器，在电极宽度为250mm，间隙为100mm时，其读出电子学将达到280路； 二维pixel读出：其读出电子学是X，Y方向的维数nx，ny的乘积，当nx=ny=100时，其读出电子学将达到10000路。读出电子学路数庞大！ 解决方法： 发展高密度多路集成前端电子学 改进探测器本身读出方式 2019/4/18

8 问题提出的背景 一维位置编码的实现 二维位置编码的实现 总结-位置编码读出的优缺点 2019/4/18

9 一维位置编码读出 增加感应读出条； 电荷按比例（不等）分除到下面的相邻感应条上； 对感应信号进行特定地编码合并，缩减信号路数；
信号大小关系 位置 A>B 1 B>C 2 C>A 3 A>C 4 C>B 5 B>A 6 一维位置编码读出技术原理图 一维位置编码读出的位置解码 增加感应读出条； 电荷按比例（不等）分除到下面的相邻感应条上； 对感应信号进行特定地编码合并，缩减信号路数； 放大成形后，直接用ADC记录。 通过鉴别两路信号的大小关系，用3路读出电子学能确定 路位置，其位置解码如表所示； 一般地，利用n路读出电子学，就可以确定 路位置。 2019/4/18

10 一维位置编码读出 电极设计 1:2 1:3 1:4 条宽：0.9mm 间隙：100mm 感应层厚度：100mm 2019/4/18

11 正反面信号比较 探测器实物图 工作气体：10%CO2+90%Ar HVdrift=-1000V HVmesh=-780~-830V
正反面读出测得的55Fe放射源的x射线能谱 2019/4/18

12 不同分除比例的测试结果 1:2 用55Fe X射线源通过200mm狭缝对准正面的一条，分别对三个区域进行了测试。 1:3 1:4
不同区域大小信号关联谱和相除谱 2019/4/18

13 1:2区域编码读出 位置编码： 1:2区域PCB反面1-31路信号按下面的编码方式分别接入x1,x2,x3,x4,x5,x6，信号缩减到6路后用ADC记录。 x1 x2 x3 x4 x5 x6 x1 x3 x6 x4 x2 x5 x1 x4 x3 x2 x6 x5 x4 x6 x3 x5 x2 x1 x6 x2 x4 x1 x5 x3 x1 位置解码： 信号大小关系 位置 x2>x1 1 x3>x2 2 x4>x3 3 x5>x4 4 x6>x5 5 x1>x6 6 x3>x1 7 x6>x3 8 x4>x6 9 x2>x4 10 x5>x2 11 x1>x5 12 x4>x1 13 x3>x4 14 x2>x3 15 x6>x2 16 x5>x6 17 x4>x5 18 x6>x4 19 x3>x6 20 x5>x3 21 x2>x5 22 x1>x2 23 x6>x1 24 x2>x6 25 x4>x2 26 x1>x4 27 x5>x1 28 x3>x5 29 x1>x3 30 2019/4/18

14 编码读出的初步测试结果 测试方法： 用55Fe X射线源经200mm狭缝对准读出电极PCB板的正面某一条，看通过编码信号能否反推源所在位置。
数据处理方法： 选择x1,x2,...,x6六路信号中的最大的两路信号，对最大，次大信号可能出现的路数累谱。 位置编码读出很好地再现了源所在狭缝的位置！ 一维位置编码读出测试结果 x1 x2 x3 x4 x5 x6 x1 x3 x6 x4 x2 x5 x1 x4 x3 x2 x6 x5 x4 x6 x3 x5 x2 x1 x6 x2 x4 x1 x5 x3 x1 《MICROMEGAS一维位置编码读出初步测试》原子核物理评论 2011,4

15 存在的问题 局限性：要保证阳极条的点火多重性为1，当点火多重性>1时，A、B、C将同时有信号，反推位置变得困难。
电荷按1:2分配 1,2同时点火：1电荷量为6，2电荷量为12时， 5,6同时点火：5电荷量为6，6电荷量为12时， A、B、C 分别为4，10，4 一维位置编码读出技术原理图 局限性：要保证阳极条的点火多重性为1，当点火多重性>1时，A、B、C将同时有信号，反推位置变得困难。 为保证点火多重性为1，需要增大条宽。 然而另一方面，为了达到较好的位置分辨，通常需要减少读出条的宽度，以实现用电荷重心法来精确定位，即通常点火多重性>1。 解决方法：位置分组编码 2019/4/18

16 一维位置分组编码读出 为什么要分组？ 每一条阳极条的反面，增加两条宽度不等的感应条，将每个信号不等地一分为二;
前述的方法只适合点火多重性等于1的情形； 为实现用电荷重心法精确定位，通常需要减小读出条的宽度，即通常点火多重性大于1。 一维位置分组编码读出技术原理图 每一条阳极条的反面，增加两条宽度不等的感应条，将每个信号不等地一分为二; 对位置进行分组(图中分两组：奇数条，偶数条)； 每组分别进行编码合并，减少信号路数，放大成形后ADC记录； 相邻两条同时点火，每一组编码信号中仅有两路输出。 通过A1、B1、C1就能确定6路奇数位置(虚线组)；通过A2、B2、C2就能确定6路偶数位置(实线组)； 若可能的最大点火多重性为m，可以将阳极条分成m组，利用 m×n路读出电子学，可以确定m× 路位置。 2019/4/18

17 问题提出的背景 一维位置编码的实现 二维位置编码的实现 总结-位置编码读出的优缺点 2019/4/18

18 二维位置编码读出 块状电极的反面，增加一个感应块，分成了两大两小四个区域，即将信号一分为四；
2×2方阵 信号大小关系 位置 B>A&&D>C 1 A>B&&D>C 2 B>A&&C>D 3 A>B&&C>D 4 二维位置编码读出技术原理图 二维位置编码读出的位置解码 块状电极的反面，增加一个感应块，分成了两大两小四个区域，即将信号一分为四； 所有经过圆点的信号作为X方向的读出信号，所有经过方块的信号作为Y方向的读出信号； 按特定的方式进行编码，编码后 X，Y方向分别各有两路信号A、B和C、D。 通过A和B以及C和D大小关系的组合，就可以确定点火的位置，其位置解码如表所示。 2019/4/18

19 二维位置编码读出 6×6方阵 信号大小关系 位置 x2>x3&&y3>y1 1/1 x1>x2&&y2>y1 2/1
1/2 x3>x2&&y2>y3 2/2 x2>x1&&y3>y2 1/3 x3>x1&&y1>y2 2/3 x2>x3&&y2>y1 1/4 x1>x2&&y3>y1 2/4 x1>x3&&y1>y3 1/5 x3>x2&&y3>y2 2/5 x2>x1&&y2>y3 1/6 x3>x1&&y1>y3 2/6 x1>x3&&y3>y2 3/1 x3>x2&&y1>y2 4/1 x2>x1&&y2>y1 3/2 x3>x1&&y3>y1 4/2 x2>x3&&y1>y3 3/3 x1>x2&&y3>y2 4/3 x1>x3&&y2>y3 3/4 x3>x2&&y1>y3 4/4 x2>x1&&y3>y1 3/5 x3>x1&&y2>y1 4/5 x2>x3&&y1>y2 3/6 x1>x2&&y2>y3 4/6 x2>x1&&y1>y3 5/1 x3>x1&&y3>y2 6/1 x2>x3&&y2>y3 5/2 x1>x2&&y1>y3 6/2 x1>x3&&y3>y1 5/3 x3>x2&&y2>y1 6/3 x2>x1&&y1>y2 5/4 x3>x1&&y2>y3 6/4 x2>x3&&y3>y2 5/5 x1>x2&&y1>y2 6/5 x1>x3&&y2>y1 5/6 x3>x2&&y3>y1 6/6 6×6方阵 二维位置编码读出技术原理图 二维位置编码读出的位置解码 2019/4/18

20 二维位置编码读出 为了实现电荷重心法精确定位，对二维位置编码同样可以采用分组的方式。
一般地，若X，Y方都用n路读出电子学， n路信号的大小关系有 种，两个方向信号大小关系的组合即 种。这样，总共用2×n路读出电子学，就可以解决 方阵的pixel读出。 当分成m×m组时，利用2×n×m2路电子学，就可以实现 方阵的pixel读出。 2019/4/18

21 问题提出的背景 一维位置编码的实现 二维位置编码的实现 总结-位置编码读出的优缺点 2019/4/18

22 位置编码读出的优势 节省电子学！ 理想状态下，一维位置编码读出所需电子学与传统的读出方式所用电子学的比值是n/ ，节省的电子学百分比是(n-2)/(n-1)，当n=5时，其节省的电子学已经达到75%。 理想状态下，二维位置编码的读出所需电子学与传统的二维pixel读出所用电子学的比值是2×n/( )，节省的电子学百分比是1-2/(n×(n-1)2)，当n=5时，其节省的电子学已经达到97.5%。 编码信号数n 电子学减少百分比% 一维 二维 3 50.0 83.3 4 66.7 94.4 5 75.0 97.5 6 80.0 98.7 7 99.2 8 85.7 99.5 9 87.5 99.7 10 88.9 99.8 位置编码读出节省的电子学量 2019/4/18

23 位置编码读出的负面影响 降低了信噪比 增加了PCB电路的复杂性 降低了探测器对多粒子同时触发事件的鉴别能力 降低了探测器所能承受的最高计数率
减少读出电子学的同时： 降低了信噪比 增加了PCB电路的复杂性 降低了探测器对多粒子同时触发事件的鉴别能力 降低了探测器所能承受的最高计数率 2019/4/18

24 谢谢！ 2019/4/18

25 谢谢！ 2019/4/18

26 2019/4/18

27 一维、二维位置编码读出PCB板设计 一维位置分组编码的读出电极 二维位置编码读出电极 六层板，电路复杂，布线难度大。
四层板，布线密集，需要激光钻孔。 二维位置编码读出电极 六层板，电路复杂，布线难度大。 2019/4/18