高计数率多通道核辐射探测器读出芯片研究

Experiments of high-energy physics, astrophysics, particle or X-ray imaging are getting increasingly large and complicated, putting more and more challenging requirements on nuclear radiation detection techniques. High counting rate is one of them. In recent years, several domestic institutes have been carrying out research on integrated readout circuit for radiation detection, but they seldom focus on counting rate. This project takes energy measurement and single photon counting applications as examples to explore the design methodologies for high counting rate readout circuit. It will also analyze the problems such as base-line shift and pileup which are made severe by the increasing counting rate, and seek the methods to solve or alleviate these problems. Then two types of high counting rate readout chip and the corresponding readout logic and system will be designed. One is for energy measurement and the other is of single photon counting type. The aimed counting rate is larger than 1Mcps per channel. Through this project, not only are some chips ready for laboratory experiments, but also the methods to design high counting rate readout circuit are obtained, which can be used in further researches for time measurement or position sensitive radiation detections. This research will help to fulfill the requirements of advanced radiation detection technique, and is significant for the experimental science of particle physics, nuclear physics, astrophysics, synchrotron radiation in our country to catch the world level.

高能物理、天体物理及各种粒子或X射线成像实验日益大型化和复杂化，对核辐射探测技术提出越来越有挑战性的要求，高计数率便是其中一种。近几年国内一些单位开展了核辐射探测信号读出集成电路的研究，但对计数率关注较少。本项目以能量测量型和单光子计数型应用为依托，研究高计数率读出芯片的设计方法，分析提高计数率带来的基线漂移、堆积等问题，并探寻解决或减弱这些问题的方法。在此基础上，设计高计数率能量测量和单光子计数型两种读出芯片及配套的读出逻辑和系统，单通道计数率大于1Mcps(counts per second)。通过芯片研制，除得到一些样片供实验用之外，更可获得高计数率的设计方法，可扩展到时间测量/位置测量等其它核辐射探测应用中，满足先进核辐射探测技术的需求，对于我国粒子物理与核物理、天体物理、同步辐射等实验科学领域进入世界先进水平具有极其重要的意义。

本项目分析了影响核辐射探测信号读出电路噪声、计数率特性的主要因素，研究了高计数率读出芯片的设计方法，以及解决高计数率带来的基线漂移、堆积等问题的方法。电荷灵敏放大器和成形器运放的带宽、成形器阶数和时间常数、极零相消结构等与计数率密切相关，在设计各模块时需要考虑计数率与噪声、功耗、稳定性等参数间的折衷。课题组曾提出电流反馈的基线保持电路，将输出电压与基准电压的差值转化为电流反馈到前端，负反馈使得输出基线电压保持在基准电压，本项目对其进行了优化，使其可以应用到高计数率条件下。还提出一种利用微分结构的基线恢复电路，将信号通过电容叠加到参考电压上，而低频的基线漂移被隔离。这两种电路都能大幅度减小工艺、温度等带来的基线漂移问题。高计数率使电荷灵敏放大器堆积速度加快，输出端饱和问题变得严重，提出一种防饱和电路，通过电容将适量的相反电荷注入到负输入端，快速地将反馈电容上积累的过量电荷抵消掉，防止电荷灵敏放大器长时间处于饱和状态。在精心设计电荷灵敏放大器、成形器、甄别器等模块的基础上，完成了单光子计数型、能量测量型、成像型辐射探测芯片，并针对盖革-弥勒计数管设计了一款提高计数率的读出电路芯片，在本项目和负责人承担的其它课题支持下进行了多次流片验证。测试结果表明实现了预期目标，多颗芯片在用户单位试用，特别是单光子计数型芯片已经应用到个人剂量仪中，首批向用户提供了3万颗芯片。本项目的部分成果在ICSICT、EDSSC、INEC等集成电路类国际会议上发表论文6篇，编制并获得批准企业标准1份。通过本项目培养硕士研究生4名，博士研究生1名。负责人所在团队获得2016年度教育部科技进步一等奖，本项目贡献了部分成果。通过本项目的研究，对核辐射探测电路设计理解更加深入，为后续研究奠定了良好基础，推动了与多家研究所的实质性合作。