结合SiPM器件的空间辐射探测器的电子学系统研制

来源 :南京航空航天大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:keiryu
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随着航天活动的深入开展,对空间环境探测提出更高的要求。空间辐射环境是空间环境中的核心要素,辐射环境不仅对在轨航天器的电子系统造成破坏,在恶劣环境下的辐射更会威胁航天员的生命安全。对空间辐射环境的探测,是了解观测空间辐射环境,建立辐射环境模型的先行条件,也是确保航天器在轨正常工作,保障航天员生命安全的辐射防护技术的依据。空间辐射探测不仅为航天活动的正常开展提供技术支撑,也为对宇宙深空观测提供重要手段。对空间辐射环境的分析包括建模分析和探测分析,其中利用探测器进行探测分析是一种直接可靠的手段。闪烁体探测器是空间辐射探测器的一种。闪烁体探测器的电子学主要完成信号的采集、转换、放大、传导、记录和分析处理等工作。其中前端电子学的主要作用是完成光信号到电信号的转换,以及为提高信号信噪比的无失真放大。使信号在传输中有更好的抗干扰能力,同时信号幅度与后端数字化系统匹配。本论文设计了塑料闪烁体探测器的前端电子学系统。主要结合SiPM作为光电转换的核心器件,构建设计了光电转换单元,并测试了光电转换单元各工作点情况,确定了合适工作点的选取;根据光电转换单元输出信号的特点,选择电流反馈运放,设计制备了跨阻放大的前置放大单元。前放的带宽约为100MHz,足够满足信号频带需要;功耗极低,约为18mW。根据光电转换单元和前置放大单元的电源需求,选择LDO和DC-DC的电源转换方案,设计构建了电源管理单元。电源管理单元的稳压输出纹波噪声约为6mV,正负电源对纹波噪声约为4mV,静态功耗约为328mW。由光电转换单元、前置放大单元和电源管理单元构成探测器的前端电子学系统。本论文还研究了部分电荷读取探测技术。部分电荷读取探测技术对光电转换单元进行了改进,从SiPM的快信号输出端读取快信号进行探测。光电转换单元与闪烁体构成探测器探头。与标准信号相比,快信号的定时精度更高,恒比定时精度从标准信号的2.91ns提高到了快信号的1.45ns;峰值定时从8.96ns提高到了2.66ns。同时快信号保留了n/γ甄别能力。针对快信号的信号特点,研究了4种信号分析方法,其中两种分析方法能进行n/γ的PSD甄别。对部分电荷读取探测技术进行了能量刻度和PSD甄别能力计算。在1MeVee的能量阈值下品质因素FOM达0.61。
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