我們提出一種多路直流模式讀出的弧形無像差探測器用于同步課件

弧形THGEM探測器多路直流模式讀出研究陳石中國科學(xué)院大學(xué)第三屆全國微結(jié)構(gòu)氣體探測器研討會2012弧形THGEM探測器多路直流模式讀出研究陳石第三屆全國微結(jié)構(gòu)Outline背景簡介一維弧形無像差THGEM探測器實驗布置實驗結(jié)果及進展Outline背景簡介1.1多路讀出粉末晶體的X射線衍射實驗示意圖單色的X射線以一定角度射向粉晶樣品，會形成一系列衍射線，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)，通過測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，使用單路讀出探測器進行逐點掃描測量空間衍射線，角分辨率好但測量速度較慢。采用多路讀出探測器可以節(jié)省測量時間。1.1多路讀出粉末晶體的X射線衍射實驗示意圖單色的X射線采用平板結(jié)構(gòu)的探測器測量X衍射線時會產(chǎn)生像差，對測量精度（角分辨率）帶來影響左圖為像差產(chǎn)生示意圖，深色部分是平板探測器探測靈敏區(qū)。測量斜射的衍射線時，X射線電離可能發(fā)生在經(jīng)過路徑的任何一點上，電離位置的不確定性造成了位置測量的誤差，即像差。使用探測器靈敏區(qū)域始終垂直于衍射線的探測器可以消除像差影響，如一維弧形探測器Parallaxerror,s.d.PintoNSS/MIC,2009IEEE1.2弧形無像差采用平板結(jié)構(gòu)的探測器測量X衍射線時會產(chǎn)生像差，對測量精度（角1.3直流模式BSRF的同步輻射光時間結(jié)構(gòu)呈周期性強度相對穩(wěn)定同時衍射實驗測量的是累積效應(yīng)BSRF時間結(jié)構(gòu)如左圖所示，BSRF束流的時間寬度200ps，周期約2ns如果采用脈沖模式進行測量，對電子學(xué)要求高，實現(xiàn)較難針對同步輻射衍射實驗，提出一種讀出一定時間周期內(nèi)的累積電荷信號，即電流信號的讀出方式——直流模式。實現(xiàn)較容易1.3直流模式BSRF的同步輻射光BSRF時間結(jié)構(gòu)如左圖所示Outline背景簡介2.一維弧形無像差THGEM探測器

2.1性能指標與方案選擇

2.2探測器腔室2.3讀出電子學(xué)

2.4探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實驗布置實驗結(jié)果及進展Outline背景簡介根據(jù)上述幾點討論，我們提出一種多路直流模式讀出的弧形無像差探測器用于同步輻射衍射實驗。探測器設(shè)計指標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，我們選擇較容易實現(xiàn)的一維弧形讀出方案。探測器選擇：THGEM具有造價相對低廉、抗輻射能力強、探測器增益可調(diào)以適應(yīng)不同光強（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，同步輻射上使用THGEM具有一定優(yōu)勢

2.1性能指標與方案選擇直流模式讀出的一維弧形THGEM探測器

(探測器腔室、讀出電子學(xué))7根據(jù)上述幾點討論，我們提出一種多路直流模式讀出的弧形無像差探82.2探測器腔室探測器選用自制Thinner-THGEM。與標準THGEM相比，自制200μm厚度Thinner-THGEM具有易于彎曲的特點，可以實現(xiàn)弧形無像差設(shè)計。THGEM板的彎曲定型通過三個有機玻璃模塊連接而成的探測器腔室完成。82.2探測器腔室探測器選用自制Thinner-THGEM。2.3讀出電子學(xué)多路陽極讀出根據(jù)設(shè)計要求，探測器張角θ=48°，角分辨0.2°設(shè)計320路讀出，每路覆蓋0.15°角由探測器距衍射樣品距離20cm計算可得，0.15°角對應(yīng)陽極讀出條間距為0.52mm。設(shè)計讀出條寬0.4mm，間隔0.1mm讀出條高1.6cm.32路弱電流讀出模塊：讀出pA級電流最大量程900nA采樣率1kHz2.3讀出電子學(xué)多路陽極讀出根據(jù)設(shè)計要求，探測器張角θ=482.4探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)陽極電流信號用排線引出，由弱電流讀出模塊進行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)送到計算機。2.4探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)陽極電流信號用排線引出，由弱電流讀出模塊進屏蔽室內(nèi)：X光源、探測器屏蔽室外：氣瓶、高壓插件、計算機探測器工作氣體：Ne95%+CH4

5%3.實驗布置使用搭建完成的探測系統(tǒng)測量X光實驗布置如圖：屏蔽室內(nèi)：X光源、探測器3.實驗布置使用搭建完成的探測系統(tǒng)測Outline背景簡介一維弧形無像差探測器實驗布置實驗結(jié)果及進展

4.1在BSRF生物大分子組X光機上測量4.2在國科大實驗室X光機上測量

4.3在同步輻射上籌備工作Outline背景簡介4.1在BSRF生物大分子組X光機上測量

BSRF生物大分子組Rigaku-007X射線發(fā)生器上測試(10^7光子/秒)32路直流讀出：直通光測量角分辨測量4.1在BSRF生物大分子組X光機上測量BSRF生物直通光測量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探測器在強流(10^7光子/秒)下工作正常，信噪比約3：1打開X光機快門曝光數(shù)秒，關(guān)閉快門，對整個過程取數(shù)得到單通道波形如下（橫軸為開始取數(shù)后時間，單位ms）。強流（10^7）下THGEM探測器電壓改變90V，電流信號變化約一個數(shù)量級,從10nA變化到100nA。（同步輻射衍射線強度與之相當(dāng)，可作為參考）對快門打開期間的每一路電流信號取平均，相加得到多路信號總合。改變探測器工作電壓（改變增益）多次測量，結(jié)果如下直通光測量dV(Volt)350360370380390Cu準直器X光機(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角分辨測量X光通過狹縫后進入弧形腔室，得到電流信號在讀出條上的分布對分布求高斯擬合，得到：Pad編號電流(pA)準直器X光機空間分辨率:σ~0.5條寬~0.25mm實驗室購置的Cu靶(8keV)X光管上測試128路直流讀出探測器距離X光管6cm4.2在中國科學(xué)院大學(xué)實驗室X光機上測量實驗室購置的Cu靶(8keV)X光管上測試128路直流讀出4圖上：不加狹縫，測量128路工作情況圖下：探測器前加狹縫后信號探測器128路讀出工作正常覆蓋角度

19.2°實驗表明探測系統(tǒng)在實驗室X光機上工作良好，下一步進行在同步輻射上的實驗圖上：不加狹縫，測量128路工作情況探測器128路讀出工作正4.3在同步輻射上籌備工作1.粉晶衍射實驗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.用逐點掃描法測量所制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)境噪音的測量4.12月中旬將在BSRF兼用光模式下測量4.3在同步輻射上籌備工作1.粉晶衍射實驗分透射式與反射式探測器在強流(10^7光子/秒)下工作正常，THGEM探測器電壓改變90V，電流信號變化約一個數(shù)量級,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)境噪音的測量，12月中旬將在BSRF兼容模式下測量總結(jié)探測器在強流(10^7光子/秒)下工作正常，THGEM探測Thankyou！Thankyou！系統(tǒng)噪聲給探測器加高壓，無X光源時系統(tǒng)噪聲峰-峰值約40pA系統(tǒng)噪聲給探測器加高壓，無X光源時系統(tǒng)噪聲我們提出一種多路直流模式讀出的弧形無像差探測器用于同步課件弧形THGEM探測器多路直流模式讀出研究陳石中國科學(xué)院大學(xué)第三屆全國微結(jié)構(gòu)氣體探測器研討會2012弧形THGEM探測器多路直流模式讀出研究陳石第三屆全國微結(jié)構(gòu)Outline背景簡介一維弧形無像差THGEM探測器實驗布置實驗結(jié)果及進展Outline背景簡介1.1多路讀出粉末晶體的X射線衍射實驗示意圖單色的X射線以一定角度射向粉晶樣品，會形成一系列衍射線，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)，通過測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，使用單路讀出探測器進行逐點掃描測量空間衍射線，角分辨率好但測量速度較慢。采用多路讀出探測器可以節(jié)省測量時間。1.1多路讀出粉末晶體的X射線衍射實驗示意圖單色的X射線采用平板結(jié)構(gòu)的探測器測量X衍射線時會產(chǎn)生像差，對測量精度（角分辨率）帶來影響左圖為像差產(chǎn)生示意圖，深色部分是平板探測器探測靈敏區(qū)。測量斜射的衍射線時，X射線電離可能發(fā)生在經(jīng)過路徑的任何一點上，電離位置的不確定性造成了位置測量的誤差，即像差。使用探測器靈敏區(qū)域始終垂直于衍射線的探測器可以消除像差影響，如一維弧形探測器Parallaxerror,s.d.PintoNSS/MIC,2009IEEE1.2弧形無像差采用平板結(jié)構(gòu)的探測器測量X衍射線時會產(chǎn)生像差，對測量精度（角1.3直流模式BSRF的同步輻射光時間結(jié)構(gòu)呈周期性強度相對穩(wěn)定同時衍射實驗測量的是累積效應(yīng)BSRF時間結(jié)構(gòu)如左圖所示，BSRF束流的時間寬度200ps，周期約2ns如果采用脈沖模式進行測量，對電子學(xué)要求高，實現(xiàn)較難針對同步輻射衍射實驗，提出一種讀出一定時間周期內(nèi)的累積電荷信號，即電流信號的讀出方式——直流模式。實現(xiàn)較容易1.3直流模式BSRF的同步輻射光BSRF時間結(jié)構(gòu)如左圖所示Outline背景簡介2.一維弧形無像差THGEM探測器

2.1性能指標與方案選擇

2.2探測器腔室2.3讀出電子學(xué)

2.4探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實驗布置實驗結(jié)果及進展Outline背景簡介根據(jù)上述幾點討論，我們提出一種多路直流模式讀出的弧形無像差探測器用于同步輻射衍射實驗。探測器設(shè)計指標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，我們選擇較容易實現(xiàn)的一維弧形讀出方案。探測器選擇：THGEM具有造價相對低廉、抗輻射能力強、探測器增益可調(diào)以適應(yīng)不同光強（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，同步輻射上使用THGEM具有一定優(yōu)勢

2.1性能指標與方案選擇直流模式讀出的一維弧形THGEM探測器

(探測器腔室、讀出電子學(xué))29根據(jù)上述幾點討論，我們提出一種多路直流模式讀出的弧形無像差探302.2探測器腔室探測器選用自制Thinner-THGEM。與標準THGEM相比，自制200μm厚度Thinner-THGEM具有易于彎曲的特點，可以實現(xiàn)弧形無像差設(shè)計。THGEM板的彎曲定型通過三個有機玻璃模塊連接而成的探測器腔室完成。82.2探測器腔室探測器選用自制Thinner-THGEM。2.3讀出電子學(xué)多路陽極讀出根據(jù)設(shè)計要求，探測器張角θ=48°，角分辨0.2°設(shè)計320路讀出，每路覆蓋0.15°角由探測器距衍射樣品距離20cm計算可得，0.15°角對應(yīng)陽極讀出條間距為0.52mm。設(shè)計讀出條寬0.4mm，間隔0.1mm讀出條高1.6cm.32路弱電流讀出模塊：讀出pA級電流最大量程900nA采樣率1kHz2.3讀出電子學(xué)多路陽極讀出根據(jù)設(shè)計要求，探測器張角θ=482.4探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)陽極電流信號用排線引出，由弱電流讀出模塊進行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)送到計算機。2.4探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)陽極電流信號用排線引出，由弱電流讀出模塊進屏蔽室內(nèi)：X光源、探測器屏蔽室外：氣瓶、高壓插件、計算機探測器工作氣體：Ne95%+CH4

5%3.實驗布置使用搭建完成的探測系統(tǒng)測量X光實驗布置如圖：屏蔽室內(nèi)：X光源、探測器3.實驗布置使用搭建完成的探測系統(tǒng)測Outline背景簡介一維弧形無像差探測器實驗布置實驗結(jié)果及進展

4.1在BSRF生物大分子組X光機上測量4.2在國科大實驗室X光機上測量

4.3在同步輻射上籌備工作Outline背景簡介4.1在BSRF生物大分子組X光機上測量

BSRF生物大分子組Rigaku-007X射線發(fā)生器上測試(10^7光子/秒)32路直流讀出：直通光測量角分辨測量4.1在BSRF生物大分子組X光機上測量BSRF生物直通光測量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探測器在強流(10^7光子/秒)下工作正常，信噪比約3：1打開X光機快門曝光數(shù)秒，關(guān)閉快門，對整個過程取數(shù)得到單通道波形如下（橫軸為開始取數(shù)后時間，單位ms）。強流（10^7）下THGEM探測器電壓改變90V，電流信號變化約一個數(shù)量級,從10nA變化到100nA。（同步輻射衍射線強度與之相當(dāng)，可作為參考）對快門打開期間的每一路電流信號取平均，相加得到多路信號總合。改變探測器工作電壓（改變增益）多次測量，結(jié)果如下直通光測量dV(Volt)350360370380390Cu準直器X光機(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角分辨測量X光通過狹縫后進入弧形腔室，得到電流信號在讀出條上的分布對分布求高斯擬合，得到：Pad編號電流(pA)準直器X光機空間分辨率:σ~0.5條寬~0.25mm實驗室購置的Cu靶(8keV)X光管上測試128