高能物理中常用电荷测量方法.ppt
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1、高能物理中常用电荷测量方法,第十五届全国核电子学与探测技术学术年会江晓山中国科学院“核探测技术与核电子学”重点实验室中国科学院高能物理研究所2010年 8月14日,电荷量的测量,密立根油滴实验基本电荷的确定精确测量带电微粒电荷量的开端e1.60210-19C,密立根(R. A. Millikan),高能物理实验中的电荷测量,粒子通过探测器时使探测器产生电离、激发光或光电转换等过程,在探测器的电接收端收集或者感应出电子和正电荷,通过外接流动通道形成需要测量的电信号。根据探测的机理,目前常用探测器输出均为电流信号探测器输出信号的电荷量与粒子在探测器中消耗掉的能量有一定对应关系,通常情况为正比关系得
2、到的电子电荷的平均数=能量电荷转换系数 x 粒子在探测器中消耗掉的能量,电荷测量系统的基本结构,传统电荷测量系统,从接收到探测器的信号到最终得到数字量结果,大致分为三部分前置放大器及成型主放大器、成型和电缆传输电压到数字量的转换从方法上也可以分为积分型电荷测量和电流型电荷测量两种,传统前置放大器理论,由于探测器的输出阻抗往往比后接电路的输入阻抗大得多,可以等效为一个电流源。让探测器的输出电流i对一个固定电容充电即可以实现电荷电压转换:基本的转换方法包括电流灵敏放大器方法电压灵敏放大器方法电荷灵敏放大器方法,电流灵敏放大器,采用电流灵敏放大器。这种方法就是将一个电流放大器接在探测器和积分电容之间
3、。电流灵敏放大器不但可以测量电荷量,还可以获取精确的时间信息,但要求放大器有较大的带宽。,电压灵敏放大器方法,这种方法就是将一个电压放大器直接接在探测器的输出端,以并联在放大器输入端的探测器输出电容、放大器输入电容和分布电容作为电荷充电电容来实现电荷到电压的转换过程。由于杂散电容的不稳定性,这种方法的稳定性差。因此电压灵敏放大器方法难于满足测量对于准确性、稳定性和信噪比等方面较高的要求。,电荷灵敏放大器,为了解决探测器电容及分布电容变化对信号测量的影响,往往在高精度电荷测量中使用电荷灵敏放大器的方法。在满足ACfCi的条件下,放大器的最高输出电压与输入电荷的关系为:,电荷灵敏放大器,在电荷灵敏
4、前放中,Cf起到电荷积累的作用。为了单独测量每一个脉冲,在Cf上并联了Rf作为放电电阻。由于存在Rf,同样的输入电荷,输入脉冲越宽,时间常数RfCf越小,输出电压脉冲的幅度越小。同时Rf越小,噪声越大,因此Rf选择的原则是在不发生严重堆积和饱和的情况下,尽量将Rf值选大。,基于电荷灵敏放大器的扩展结构,对应于不同的应用,在实际使用中有很多种改进型的前放。Fig.1 是BNL于2004年用ASIC 技术研制成功的具有两级放大的电荷灵敏放大电路。,Fig. 1 具有两级放大的电荷灵敏放大电路,主放大器、成形和电缆传输,主放大器、成形和电缆传输根据具体的应用会有很大不同。通常情况下的应用为前置放大器
5、将信号放大成形到可以驱动电缆传输的程度,经过一定距离的电缆传输送到主放大器,由主放大器进行进一步放大和成形调整,以适应后面电压数字量变换的需要。,成形滤波,从字面上可以这样定义:用来滤除噪声的电路称为滤波器;用来使信号成为某种形状的电路称为成形电路。但往往滤波成形电路在实际中同时具有双重功能。滤波成形电路有多种形式,对于线性系统理论上存在最佳滤波器,对于电荷灵敏前放,在实际电路设计中采用多级RC积分电路作为最佳滤波器的简单近似。由于成形滤波的具体理论十分复杂,在这里不做详细介绍,电压到数字量的变换,目前电压到数字量转换的方法和器件有很多种,在高能物理实验中常用到的包括:高速采样ADC高精度AD
6、C不同的ADC对应于不同的方案选择例如,电荷灵敏前放更希望使用高精度ADC而数字积分型的电荷测量方案将会选择高速采样 ADCADC的具体结构及设计在这里不做介绍,非传统的电荷测量方法,对于小规模的粒子探测系统而言,传统的电荷测量方法已经可以满足绝大部分实验的需要;而对于大规模的粒子探测系统而言,出于对系统结构、通道数、功耗、测量精度和信号率问题的考虑,出现了很多种不同于传统电荷测量的方法的方法包括数值积分QTCTOT开关电容阵列,数值积分,数值积分是采用数值方法替代电容的模拟积分,以消除电容器带来的问题首先采用电压型或者跨阻型前放,得到与探测器输出电流对应的电压波形,之后经过适当成型后输入到高
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