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《中国科学技术大学》 2015年
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微结构气体探测器位置编码读出方法研究

祁宾祥  
【摘要】:微结构气体探测器由于其良好的空间分辨、高增益、抗辐射、结构简单等突出优点,在粒子物理实验、核探测、X射线成像等诸多方面中获得良好的应用。微结构气体探测器最典型的读出方法为直接读出法,其庞大的读出电子学路数是限制其更高精度和更大面积广泛应用的瓶颈之一,而且大量的电子学通道对系统集成度、功耗、制冷、成本等方面带来了极大的挑战。如何减少电子学通道是一个迫切需要解决的问题,也是国内外相关领域研究的一个热点。通过探测器读出电极的组合或排列,对其进行特定方式连接的编码复用读出,可减少大量的电子学通道数,这种方法就是位置编码读出方法,近年来国内外对此开展了一些研究工作。本论文通过微结构气体探测器读出方法调研,参考感应编码读出和直接编码读出等两种位置编码读出方法的基础上,进行了深入研究,利用图论中的欧拉回路定理对编码方法进行了数学论证,规范了其编码方式,推导出了n通道编码和解码的普遍公式,并提出了相关的解码算法;在此基础上,提出将电荷重心法应用于位置编码读出解码中,提高了位置编码读出的分辨率。为验证上述方法,我们设计了基于5x5cm2THGEM探测器的一维和二维编码读出验证板,使用数字读出和模拟读出两套电子学读出系统完成了X射线验证测试及成像测试,测试结果很好地验证了两种位置编码方式读出方法的可行性。两种位置编码读出方式均可节省大量的读出电子学通道,又不会从本质上降低探测器的位置分辨率,可用于大面积高分辨率的微结构气体探测器研制,同时此方法也可以用在其他类似读出结构的探测器。但其也有一些负面影响,如不同程度地降低了信噪比和探测器多粒子同时触发鉴别能力,在一定程度上降低了探测器单位面积上的最大计数率,不宜用在高通量的实验中。对较低事例率的微结构气体探测器应用来说,位置编码读出方法提供了独特的解决方案,具有重要的实用价值。论文的组织按章节如下:第一章作为绪论主要介绍了微结构气体探测器相关的背景知识。首先以微网格气体探测器(MicroMegas)、气体电子倍增器(GEM)和厚型气体倍增器(THGEM)等目前发展最成熟的三种微结构气体探测器为例,介绍了它们的工作原理和广泛的应用;然后描述了微结构气体探测器的读出信号特点和主要性能参数;最后概括了微结构气体探测器的读出方式现状并主要介绍了几种可减少电子学通道数的典型读出方法。第二章详细阐述了两种位置编码读出方法的原理,并深入研究了其编码方法和解码算法。首先简要介绍了位置编码读出方面的研究现状;其次介绍了感应编码读出方法的原理,并提出了两种不同的编码规范,并给出了n通道的编码与解码公式;然后介绍了直接编码读出方法的原理,提出了可扩展的编码规范,给出了n通道的编码与解码公式,并提出了多条击中解码算法;在此基础上,提出了利用电荷重心法进一步提高位置编码分辨率的思路;最后,总结了上述两种位置编码读出方法的特点和电子学需求。第三章描述了基于5x5cm2THGEM的位置编码读出设计。首先介绍了感应编码读出的可行性仿真和验证设计,根据仿真结果设计了一维分组感应编码读出板,分析了二维感应编码读出的可行性;其次设计了一维直接编码读出板和两种不同分辨率的二维直接编码读出板,并给出了其相应的编码方法和解码算法;然后介绍了用于编码读出验证测试的多通道信号发生器的设计;最后调研了微结构气体探测器的读出电子学系统,并简要介绍了用于位置编码读出方法验证测试的两套电子学系统。第四章介绍了位置编码读出方法的验证测试。首先进行了测试需求分析,提出了测试方案;其次详细描述了单事例验证、位置分辨率、位置扫描线性以及二维成像等X射线验证测试及结果;最后是测试总结。第五章总结全文,并展望未来工作。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TL81

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