基于GEM探测器的中子入射顶点在线修正探测系统的研制

论文摘要

当前随着中子源技术的发展,中子应用及中子科学研究领域对于中子探测器的性能要求变得越来越高。由于应用于中子探测的3He气体的价格逐年攀升,新型中子探测技术渐成为粒子探测领域研究的热点。基于聚乙烯转化层和涂硼漂移极的中子气体电子倍增（Gas Electron Multiplier,GEM）探测器具有位置分辨好、探测效率高、可塑性好、时间响应好等优点,故而被认为是未来代替3He中子探测器的研发对象之一。高精度的位置灵敏探测系统需要多通道电子学支撑,灵敏面积越大,探测系统的数据通量数则越多,例如:欧洲核子中心设计的10 cm×10 cm的标准条读出方式共需512路。读出通道地增多致使电子学和数据获取板死时间地增加和探测系统最大计数率地变小。本论文提出利用时间信息和FPGA技术,在线的对中子灵敏GEM探测器的位置分辨进行优化。在此设想的基础上,研制了一套基于FPGA技术的数据获取系统,以解决传统探测手段GEM探测器中子位置分辨大于1 mm,大灵敏面积探测系统原始数据通量大的困境。与传统的重心法相比,基于时间信息的径迹修正可以将热中子的位置分辨由2.27 mm的位置分辨提升至0.37 mm;基于FPGA技术的在线压缩算法对x射线成像数据的压缩率最高达85.32。本论文完成了一套基于GEM探测器和具有波形采样功能的集成前放APV-25芯片的探测系统。首先,利用x射线成像数据开发并验证了在线数据压缩技术的可行性。然后,利用模拟数据、α粒子源实验和热中子源实验测试了探测系统并验证了时间外推法的正确性。最后,根据实验结果提出了在FPGA层面上实现在线中子顶点修正的设想。具体研究内容包括以下四个方面:第一,利用Geant4和Garfield++软件详细地模拟了快中子在微模式气体探测器中的能量沉积行为,并根据电子学参数使用25 ns采样周期将模拟数据进行数字化,系统地研究了电离电子的运动行为和读出板信号的感应过程。本论文所描述的时间外推法是根据上述模拟结果所提出,该模拟结果表明:采样周期的重心会随着时间的演化,不断地向入射点方向移动。但是直到信号消失,采样周期的重心依旧距离入射点一段距离。修正顶点时,应顺着重心移动方向外推一段距离以确定入射点。此外,分析模拟数据还发现反冲质子径迹的重心与每个周期的重心的移动量成正相关,该系数只与实验条件相关。第二,基于现有的APV-25集成前放芯片,本论文完成了数据获取系统的软件设计、硬件设计、加工和测试工作。数据获取系统通过I2C协议对APV-25芯片参数进行配置,使用以太网协议传输数字化后的APV-25芯片采样数据。一个数据获取母板可以控制16个APV-25芯片,总共2048路。除了完成基本参数的配置外,该系统还实现了读取30连续采样数据的功能。测试结果表明,以太网的数据传输率达到120 MB/s,系统的线性范围接近100 ke。利用套接字（Socket）和C++语言编写了基于以太网协议的数据获取软件,该软件可轻松移植到任何一个完备的Linux系统上。第三,本论文完成了二维灵敏GEM探测器的读出板设计、加工组装和基本性能测量,对于55Fe x射线源,探测器的位置分辨为127 um,能量分辨为18.7%。同时还实现了基于FPGA技术的Cluster甄别技术,并使用x射线成像的实验数据和FPGA开发板验证了甄别算法,实现了在线径迹修正第一层算法。最后,利用三个241Amα源和三个狭缝测量了α粒子的位置分辨,采用传统重心法得到的位置分辨为9.10 mm,采用时间外推法修正后得到的位置分辨为0.45 mm,实验结果验证了时间外推法的正确性。结果还显示,对于同一实验条件下的所有的α径迹可以使用同一个参数进行修正,该参数极大的简化了在线径迹顶点修正算法,为实现在线顶点修正和数据压缩奠定了基础。利用252Cf和涂硼漂移极测量了热中子的位置分辨,时间外推法得到的位置分辨为0.37 mm,远远好于传统重心法得到的2.27 mm。同时还发现该探测系统具有一定的n/γ甄别能力。该探测系统和方法不只适用于GEM探测器,还适用于具有漂移区和时间分辨的气体探测器,例如MicroMegas探测器、屏栅电离室。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 引言
• 第一章 中子位置探测技术发展
•   1.1 中子源发展
•     1.1.1 同位素中子源
•     1.1.2 加速器中子源
•     1.1.3 中国散裂中子源
•     1.1.4 反应堆中子源
•   1.2 中子探测原理
•   1.3 基于GEM的中子探测技术发展
• 3He管中子成像'>    1.3.1³He管中子成像
•     1.3.2 GEM探测技术发展
•     1.3.3 国内外基于GEM的中子探测器的最新进展
•     1.3.4 多路集成电子学及数据获取系统国内外研究进展
•   1.4 本章小结
• 第二章 快中子探测过程模拟
•   2.1 模拟软件介绍
•     2.1.1 Geant4 蒙特卡洛模拟程序介绍
•     2.1.2 Garfield++介绍
•   2.2 MicroMegas快中子探测器模拟
•   2.3 径迹识别和重建
•   2.4 本章小结
• 第三章 APV-25 芯片数据获取系统开发
•   3.1 多路集成电子学介绍
•   3.2 旧数据获取系统介绍
•   3.3 数据获取板的硬件设计
•     3.3.1 芯片配置
•     3.3.2 芯片读出
•     3.3.3 背板
•     3.3.4 母板
•     3.3.5 固件设计
•     3.3.6 固件资源占用
•     3.3.7 数据结构
•   3.4 数据获取软件设计
•   3.5 软硬件联调与电子学测试
•     3.5.1 软硬件联调
•     3.5.2 电子学测试
•   3.6 本章小结
• 第四章 位置灵敏GEM探测器搭建、测试及Cluster甄别算法的开发
•   4.1 GEM探测器搭建
•     4.1.1 GEM探测器外壳
•     4.1.2 读出板设计
•     4.1.3 电子学与读出板连接线
•   4.2 探测器性能测试
•     4.2.1 实验设置
•     4.2.2 位置分辨
•     4.2.3 能量分辨
•     4.2.4 校徽成像
•   4.3 在线Cluster重建
•     4.3.1 Cluster甄别
•     4.3.2 甄别原理
•     4.3.3 重建模块介绍
•     4.3.4 重建模块测试
•     4.3.5 重建模块的资源消耗
•     4.3.6 重建模块的时间消耗、压缩效率和限制
•     4.3.7 实验数据测试
•   4.4 本章小结
• 第五章 α粒子顶点修正实验
•   5.1 实验设置
•   5.2 数据分析
•   5.3 结果与讨论
•     5.3.1 传统重心法
•     5.3.2 时间外推法
•     5.3.3 在线径迹修正
•   5.4 本章小结
• 第六章 热中子顶点修正
•   6.1 基于涂硼漂移极的热中子探测原理
•   6.2 实验设置
•     6.2.1 涂硼漂移极
•     6.2.2 中子源
•     6.2.3 探测器设置
•     6.2.4 探测环境
•   6.3 数据分析和讨论
•     6.3.1 时间外推法与传统重心法对比
•     6.3.2 γ 本底甄别-能量沉积甄别
•     6.3.3 γ 本底甄别-上升时间甄别
•     6.3.4 影响位置分辨的因素
•   6.4 本章小结
• 第七章 总结和展望
•   7.1 总结
•   7.2 展望
• 参考文献
• 在学期间的研究成果
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 吴会寅

导师: 胡碧涛

关键词: 气体电子倍增器,在线顶点修正,芯片,热中子时间外推探测系统

来源: 兰州大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,核科学技术

单位: 兰州大学

分类号: O571.5

总页数: 112

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