我們提出一種多路直流模式讀出的弧形無(wú)像差探測(cè)器用于同步課件

弧形THGEM探測(cè)器多路直流模式讀出研究陳石中國(guó)科學(xué)院大學(xué)第三屆全國(guó)微結(jié)構(gòu)氣體探測(cè)器研討會(huì)2012弧形THGEM探測(cè)器多路直流模式讀出研究陳石第三屆全國(guó)微結(jié)構(gòu)Outline背景簡(jiǎn)介一維弧形無(wú)像差THGEM探測(cè)器實(shí)驗(yàn)布置實(shí)驗(yàn)結(jié)果及進(jìn)展Outline背景簡(jiǎn)介1.1多路讀出粉末晶體的X射線衍射實(shí)驗(yàn)示意圖單色的X射線以一定角度射向粉晶樣品，會(huì)形成一系列衍射線，所有衍射線在空間中形成張角不同的圓錐面。衍射圓錐面的中心角與晶體面間距相關(guān)，通過(guò)測(cè)量衍射圖樣可以研究晶體結(jié)構(gòu)。左圖為北京同步輻射裝置(BSRF)漫散射站使用的五圓衍射儀，使用單路讀出探測(cè)器進(jìn)行逐點(diǎn)掃描測(cè)量空間衍射線，角分辨率好但測(cè)量速度較慢。采用多路讀出探測(cè)器可以節(jié)省測(cè)量時(shí)間。1.1多路讀出粉末晶體的X射線衍射實(shí)驗(yàn)示意圖單色的X射線采用平板結(jié)構(gòu)的探測(cè)器測(cè)量X衍射線時(shí)會(huì)產(chǎn)生像差，對(duì)測(cè)量精度（角分辨率）帶來(lái)影響左圖為像差產(chǎn)生示意圖，深色部分是平板探測(cè)器探測(cè)靈敏區(qū)。測(cè)量斜射的衍射線時(shí)，X射線電離可能發(fā)生在經(jīng)過(guò)路徑的任何一點(diǎn)上，電離位置的不確定性造成了位置測(cè)量的誤差，即像差。使用探測(cè)器靈敏區(qū)域始終垂直于衍射線的探測(cè)器可以消除像差影響，如一維弧形探測(cè)器Parallaxerror,s.d.PintoNSS/MIC,2009IEEE1.2弧形無(wú)像差采用平板結(jié)構(gòu)的探測(cè)器測(cè)量X衍射線時(shí)會(huì)產(chǎn)生像差，對(duì)測(cè)量精度（角1.3直流模式BSRF的同步輻射光時(shí)間結(jié)構(gòu)呈周期性強(qiáng)度相對(duì)穩(wěn)定同時(shí)衍射實(shí)驗(yàn)測(cè)量的是累積效應(yīng)BSRF時(shí)間結(jié)構(gòu)如左圖所示，BSRF束流的時(shí)間寬度200ps，周期約2ns如果采用脈沖模式進(jìn)行測(cè)量，對(duì)電子學(xué)要求高，實(shí)現(xiàn)較難針對(duì)同步輻射衍射實(shí)驗(yàn)，提出一種讀出一定時(shí)間周期內(nèi)的累積電荷信號(hào)，即電流信號(hào)的讀出方式——直流模式。實(shí)現(xiàn)較容易1.3直流模式BSRF的同步輻射光BSRF時(shí)間結(jié)構(gòu)如左圖所示Outline背景簡(jiǎn)介2.一維弧形無(wú)像差THGEM探測(cè)器

2.1性能指標(biāo)與方案選擇

2.2探測(cè)器腔室2.3讀出電子學(xué)

2.4探測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)布置實(shí)驗(yàn)結(jié)果及進(jìn)展Outline背景簡(jiǎn)介根據(jù)上述幾點(diǎn)討論，我們提出一種多路直流模式讀出的弧形無(wú)像差探測(cè)器用于同步輻射衍射實(shí)驗(yàn)。探測(cè)器設(shè)計(jì)指標(biāo)由北京同步輻射漫散射組提出半徑:20cm,

接收角度：48°

角分辨：0.2°多路讀出：考慮到電子學(xué)讀出路數(shù)限制，我們選擇較容易實(shí)現(xiàn)的一維弧形讀出方案。探測(cè)器選擇：THGEM具有造價(jià)相對(duì)低廉、抗輻射能力強(qiáng)、探測(cè)器增益可調(diào)以適應(yīng)不同光強(qiáng)（單層THGEM的氣體增益可以在1～104的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)）的特點(diǎn)，同步輻射上使用THGEM具有一定優(yōu)勢(shì)

2.1性能指標(biāo)與方案選擇直流模式讀出的一維弧形THGEM探測(cè)器

(探測(cè)器腔室、讀出電子學(xué))7根據(jù)上述幾點(diǎn)討論，我們提出一種多路直流模式讀出的弧形無(wú)像差探82.2探測(cè)器腔室探測(cè)器選用自制Thinner-THGEM。與標(biāo)準(zhǔn)THGEM相比，自制200μm厚度Thinner-THGEM具有易于彎曲的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)弧形無(wú)像差設(shè)計(jì)。THGEM板的彎曲定型通過(guò)三個(gè)有機(jī)玻璃模塊連接而成的探測(cè)器腔室完成。82.2探測(cè)器腔室探測(cè)器選用自制Thinner-THGEM。2.3讀出電子學(xué)多路陽(yáng)極讀出根據(jù)設(shè)計(jì)要求，探測(cè)器張角θ=48°，角分辨0.2°設(shè)計(jì)320路讀出，每路覆蓋0.15°角由探測(cè)器距衍射樣品距離20cm計(jì)算可得，0.15°角對(duì)應(yīng)陽(yáng)極讀出條間距為0.52mm。設(shè)計(jì)讀出條寬0.4mm，間隔0.1mm讀出條高1.6cm.32路弱電流讀出模塊：讀出pA級(jí)電流最大量程900nA采樣率1kHz2.3讀出電子學(xué)多路陽(yáng)極讀出根據(jù)設(shè)計(jì)要求，探測(cè)器張角θ=482.4探測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)陽(yáng)極電流信號(hào)用排線引出，由弱電流讀出模塊進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，F(xiàn)PGA模塊將電流讀出板輸出的高速數(shù)字信號(hào)采集整合成數(shù)據(jù)包后，由MCU控制經(jīng)以太網(wǎng)發(fā)送到計(jì)算機(jī)。2.4探測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)陽(yáng)極電流信號(hào)用排線引出，由弱電流讀出模塊進(jìn)屏蔽室內(nèi)：X光源、探測(cè)器屏蔽室外：氣瓶、高壓插件、計(jì)算機(jī)探測(cè)器工作氣體：Ne95%+CH4

5%3.實(shí)驗(yàn)布置使用搭建完成的探測(cè)系統(tǒng)測(cè)量X光實(shí)驗(yàn)布置如圖：屏蔽室內(nèi)：X光源、探測(cè)器3.實(shí)驗(yàn)布置使用搭建完成的探測(cè)系統(tǒng)測(cè)Outline背景簡(jiǎn)介一維弧形無(wú)像差探測(cè)器實(shí)驗(yàn)布置實(shí)驗(yàn)結(jié)果及進(jìn)展

4.1在BSRF生物大分子組X光機(jī)上測(cè)量4.2在國(guó)科大實(shí)驗(yàn)室X光機(jī)上測(cè)量

4.3在同步輻射上籌備工作Outline背景簡(jiǎn)介4.1在BSRF生物大分子組X光機(jī)上測(cè)量

BSRF生物大分子組Rigaku-007X射線發(fā)生器上測(cè)試(10^7光子/秒)32路直流讀出：直通光測(cè)量角分辨測(cè)量4.1在BSRF生物大分子組X光機(jī)上測(cè)量BSRF生物直通光測(cè)量dV(Volt)350360370380390Current(pA)-11896.4-15713.3-19865.2-25326.9-32433.2dV(Volt)400410420430440Current(pA)-40916.7-51457.1-64797.5-82917.2-103448探測(cè)器在強(qiáng)流(10^7光子/秒)下工作正常，信噪比約3：1打開X光機(jī)快門曝光數(shù)秒，關(guān)閉快門，對(duì)整個(gè)過(guò)程取數(shù)得到單通道波形如下（橫軸為開始取數(shù)后時(shí)間，單位ms）。強(qiáng)流（10^7）下THGEM探測(cè)器電壓改變90V，電流信號(hào)變化約一個(gè)數(shù)量級(jí),從10nA變化到100nA。（同步輻射衍射線強(qiáng)度與之相當(dāng)，可作為參考）對(duì)快門打開期間的每一路電流信號(hào)取平均，相加得到多路信號(hào)總合。改變探測(cè)器工作電壓（改變?cè)鲆妫┒啻螠y(cè)量，結(jié)果如下直通光測(cè)量dV(Volt)350360370380390Cu準(zhǔn)直器X光機(jī)(Cutarget8keV)空間分辨率:σ~0.5條寬~0.25mm角分辨率:

0.07°弧形腔室advantage:parallaxerrorfree角分辨測(cè)量X光通過(guò)狹縫后進(jìn)入弧形腔室，得到電流信號(hào)在讀出條上的分布對(duì)分布求高斯擬合，得到：Pad編號(hào)電流(pA)準(zhǔn)直器X光機(jī)空間分辨率:σ~0.5條寬~0.25mm實(shí)驗(yàn)室購(gòu)置的Cu靶(8keV)X光管上測(cè)試128路直流讀出探測(cè)器距離X光管6cm4.2在中國(guó)科學(xué)院大學(xué)實(shí)驗(yàn)室X光機(jī)上測(cè)量實(shí)驗(yàn)室購(gòu)置的Cu靶(8keV)X光管上測(cè)試128路直流讀出4圖上：不加狹縫，測(cè)量128路工作情況圖下：探測(cè)器前加狹縫后信號(hào)探測(cè)器128路讀出工作正常覆蓋角度

19.2°實(shí)驗(yàn)表明探測(cè)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室X光機(jī)上工作良好，下一步進(jìn)行在同步輻射上的實(shí)驗(yàn)圖上：不加狹縫，測(cè)量128路工作情況探測(cè)器128路讀出工作正4.3在同步輻射上籌備工作1.粉晶衍射實(shí)驗(yàn)分透射式與反射式兩種方案，透射式方案要求樣品厚度較薄。制作的厚度0.2mm的TiO2樣片2.用逐點(diǎn)掃描法測(cè)量所制TiO2衍射圖樣作為參考3.在BSRF漫散射站上做了幾何布置以及環(huán)境噪音的測(cè)量4.12月中旬將在BSRF兼用光模式下測(cè)量4.3在同步輻射上籌備工作1.粉晶衍射實(shí)驗(yàn)分透射式與反射式探測(cè)器在強(qiáng)流(10^7光子/秒)下工作正常，THGEM探測(cè)器電壓改變90V，電流信號(hào)變化約一個(gè)數(shù)量級(jí),從10nA變化到100nA128路電流讀出電子學(xué)工作正常，覆蓋角度19.2°制作了同步輻射上衍射測(cè)量用TiO2粉晶樣品在BSRF漫散射站上做了幾何布置以及環(huán)境噪音的測(cè)量，12月中旬將在BSRF兼容模式下測(cè)量總結(jié)探測(cè)器在強(qiáng)流(10^7光子/秒)下工作正常，THGEM探測(cè)Thankyou！Thankyou！系統(tǒng)噪聲給探測(cè)器加高壓，無(wú)X光源時(shí)系統(tǒng)噪聲峰-峰值約40pA系統(tǒng)噪聲給探測(cè)器加高壓，無(wú)X光源時(shí)系統(tǒng)噪聲我們提出一種多路直流模式讀出的弧形無(wú)像差探測(cè)器用于同步課件弧形THGEM探測(cè)器多路直流模式讀出研究陳石中國(guó)科學(xué)院大學(xué)第三屆全國(guó)微結(jié)構(gòu)氣體探測(cè)器研討會(huì)2012弧形THGEM探測(cè)器多路直流模式讀出研究陳石第三屆全國(guó)微結(jié)構(gòu)Outline背景簡(jiǎn)介一維弧形無(wú)像差THGEM探測(cè)器實(shí)驗(yàn)布置實(shí)驗(yàn)結(jié)果及進(jìn)展Outline背景簡(jiǎn)介1.1多路讀出粉末晶體的X射線衍射實(shí)驗(yàn)示意圖單色的X射線以一定角度射向粉晶樣品，會(huì)形成一系列衍射線，所有衍射線在空間中形成張角不同的圓錐面。衍射圓錐面的中心角與晶體面間距相關(guān)，通過(guò)測(cè)量衍射圖樣可以研究晶體結(jié)構(gòu)。左圖為北京同步輻射裝置(BSRF)漫散射站使用的五圓衍射儀，使用單路讀出探測(cè)器進(jìn)行逐點(diǎn)掃描測(cè)量空間衍射線，角分辨率好但測(cè)量速度較慢。采用多路讀出探測(cè)器可以節(jié)省測(cè)量時(shí)間。1.1多路讀出粉末晶體的X射線衍射實(shí)驗(yàn)示意圖單色的X射線采用平板結(jié)構(gòu)的探測(cè)器測(cè)量X衍射線時(shí)會(huì)產(chǎn)生像差，對(duì)測(cè)量精度（角分辨率）帶來(lái)影響左圖為像差產(chǎn)生示意圖，深色部分是平板探測(cè)器探測(cè)靈敏區(qū)。測(cè)量斜射的衍射線時(shí)，X射線電離可能發(fā)生在經(jīng)過(guò)路徑的任何一點(diǎn)上，電離位置的不確定性造成了位置測(cè)量的誤差，即像差。使用探測(cè)器靈敏區(qū)域始終垂直于衍射線的探測(cè)器可以消除像差影響，如一維弧形探測(cè)器Parallaxerror,s.d.PintoNSS/MIC,2009IEEE1.2弧形無(wú)像差采用平板結(jié)構(gòu)的探測(cè)器測(cè)量X衍射線時(shí)會(huì)產(chǎn)生像差，對(duì)測(cè)量精度（角1.3直流模式BSRF的同步輻射光時(shí)間結(jié)構(gòu)呈周期性強(qiáng)度相對(duì)穩(wěn)定同時(shí)衍射實(shí)驗(yàn)測(cè)量的是累積效應(yīng)BSRF時(shí)間結(jié)構(gòu)如左圖所示，BSRF束流的時(shí)間寬度200ps，周期約2ns如果采用脈沖模式進(jìn)行測(cè)量，對(duì)電子學(xué)要求高，實(shí)現(xiàn)較難針對(duì)同步輻射衍射實(shí)驗(yàn)，提出一種讀出一定時(shí)間周期內(nèi)的累積電荷信號(hào)，即電流信號(hào)的讀出方式——直流模式。實(shí)現(xiàn)較容易1.3直流模式BSRF的同步輻射光BSRF時(shí)間結(jié)構(gòu)如左圖所示Outline背景簡(jiǎn)介2.一維弧形無(wú)像差THGEM探測(cè)器

2.1性能指標(biāo)與方案選擇

2.2探測(cè)器腔室2.3讀出電子學(xué)

2.4探測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)布置實(shí)驗(yàn)結(jié)果及進(jìn)展Outline背景簡(jiǎn)介根據(jù)上述幾點(diǎn)討論，我們提出一種多路直流模式讀出的弧形無(wú)像差探測(cè)器用于同步輻射衍射實(shí)驗(yàn)。探測(cè)器設(shè)計(jì)指標(biāo)由北京同步輻射漫散射組提出半徑:20cm,

接收角度：48°

角分辨：0.2°多路讀出：考慮到電子學(xué)讀出路數(shù)限制，我們選擇較容易實(shí)現(xiàn)的一維弧形讀出方案。探測(cè)器選擇：THGEM具有造價(jià)相對(duì)低廉、抗輻射能力強(qiáng)、探測(cè)器增益可調(diào)以適應(yīng)不同光強(qiáng)（單層THGEM的氣體增益可以在1～104的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)）的特點(diǎn)，同步輻射上使用THGEM具有一定優(yōu)勢(shì)

2.1性能指標(biāo)與方案選擇直流模式讀出的一維弧形THGEM探測(cè)器

(探測(cè)器腔室、讀出電子學(xué))29根據(jù)上述幾點(diǎn)討論，我們提出一種多路直流模式讀出的弧形無(wú)像差探302.2探測(cè)器腔室探測(cè)器選用自制Thinner-THGEM。與標(biāo)準(zhǔn)THGEM相比，自制200μm厚度Thinner-THGEM具有易于彎曲的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)弧形無(wú)像差設(shè)計(jì)。THGEM板的彎曲定型通過(guò)三個(gè)有機(jī)玻璃模塊連接而成的探測(cè)器腔室完成。82.2探測(cè)器腔室探測(cè)器選用自制Thinner-THGEM。2.3讀出電子學(xué)多路陽(yáng)極讀出根據(jù)設(shè)計(jì)要求，探測(cè)器張角θ=48°，角分辨0.2°設(shè)計(jì)320路讀出，每路覆蓋0.15°角由探測(cè)器距衍射樣品距離20cm計(jì)算可得，0.15°角對(duì)應(yīng)陽(yáng)極讀出條間距為0.52mm。設(shè)計(jì)讀出條寬0.4mm，間隔0.1mm讀出條高1.6cm.32路弱電流讀出模塊：讀出pA級(jí)電流最大量程900nA采樣率1kHz2.3讀出電子學(xué)多路陽(yáng)極讀出根據(jù)設(shè)計(jì)要求，探測(cè)器張角θ=482.4探測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)陽(yáng)極電流信號(hào)用排線引出，由弱電流讀出模塊進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，F(xiàn)PGA模塊將電流讀出板輸出的高速數(shù)字信號(hào)采集整合成數(shù)據(jù)包后，由MCU控制經(jīng)以太網(wǎng)發(fā)送到計(jì)算機(jī)。2.4探測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)陽(yáng)極電流信號(hào)用排線引出，由弱電流讀出模塊進(jìn)屏蔽室內(nèi)：X光源、探測(cè)器屏蔽室外：氣瓶、高壓插件、計(jì)算機(jī)探測(cè)器工作氣體：Ne95%+CH4

5%3.實(shí)驗(yàn)布置使用搭建完成的探測(cè)系統(tǒng)測(cè)量X光實(shí)驗(yàn)布置如圖：屏蔽室內(nèi)：X光源、探測(cè)器3.實(shí)驗(yàn)布置使用搭建完成的探測(cè)系統(tǒng)測(cè)Outline背景簡(jiǎn)介一維弧形無(wú)像差探測(cè)器實(shí)驗(yàn)布置實(shí)驗(yàn)結(jié)果及進(jìn)展

4.1在BSRF生物大分子組X光機(jī)上測(cè)量4.2在國(guó)科大實(shí)驗(yàn)室X光機(jī)上測(cè)量

4.3在同步輻射上籌備工作Outline背景簡(jiǎn)介4.1在BSRF生物大分子組X光機(jī)上測(cè)量

BSRF生物大分子組Rigaku-007X射線發(fā)生器上測(cè)試(10^7光子/秒)32路直流讀出：直通光測(cè)量角分辨測(cè)量4.1在BSRF生物大分子組X光機(jī)上測(cè)量BSRF生物直通光測(cè)量dV(Volt)350360370380390Current(pA)-11896.4-15713.3-19865.2-25326.9-32433.2dV(Volt)400410420430440Current(pA)-40916.7-51457.1-64797.5-82917.2-103448探測(cè)器在強(qiáng)流(10^7光子/秒)下工作正常，信噪比約3：1打開X光機(jī)快門曝光數(shù)秒，關(guān)閉快門，對(duì)整個(gè)過(guò)程取數(shù)得到單通道波形如下（橫軸為開始取數(shù)后時(shí)間，單位ms）。強(qiáng)流（10^7）下THGEM探測(cè)器電壓改變90V，電流信號(hào)變化約一個(gè)數(shù)量級(jí),從10nA變化到100nA。（同步輻射衍射線強(qiáng)度與之相當(dāng)，可作為參考）對(duì)快門打開期間的每一路電流信號(hào)取平均，相加得到多路信號(hào)總合。改變探測(cè)器工作電壓（改變?cè)鲆妫┒啻螠y(cè)量，結(jié)果如下直通光測(cè)量dV(Volt)350360370380390Cu準(zhǔn)直器X光機(jī)(Cutarget8keV)空間分辨率:σ~0.5條寬~0.25mm角分辨率:

0.07°弧形腔室advantage:parallaxerrorfree角分辨測(cè)量X光通過(guò)狹縫后進(jìn)入弧形腔室，得到電流信號(hào)在讀出條上的分布對(duì)分布求高斯擬合，得到：Pad編號(hào)電流(pA)準(zhǔn)直器X光機(jī)空間分辨率:σ~0.5條寬~0.25mm實(shí)驗(yàn)室購(gòu)置的Cu靶(8keV)X光管上測(cè)試128