用于大规模中子散射探测技术的读出电子学方法研究

Neutron is considered as an ideal probe for material construction and dynamics research. It has obvious advantages to use neutron scattering technique for material, physics and biology research. There are many neutron scattering spectrometers have been constructed in China, however, the core components of these instrumentations are all imported from foreign advanced countries. Furthermore, the related methods or techniques are blockaded to China. The level of system structure, method and technique is still backward for us. With the increase of demands for neutron scattering spectrometer, there are urgent needs for readout electronics methods research, especially for applications with large scale detectors..In this project, main research subjects include: constructing high precise readout electronic method based upon the neutron (array) detector character and its output signal; research the factor degrading the performance of detector “dead time” and minimizing it to 100ns; finding the relationship between electronic performance and temperature, and research real-time online compensation algorithm; implementing a prototype to verify this proposed readout method, evaluating the ability of long time reliability and anti-interference..Through this joint fund project, the application demands of large scale neutron can be meet. Moreover, the related subjects and techniques can also be improved greatly.

中子是研究物质结构和动力学性质的理想探针，用中子散射技术进行材料、物理、生物等研究，具有显著的优势。目前我国虽已建成多台中子散射谱仪，但其核心部件如探测器、读出电子学等均从国外购置，并受到制约和封锁，在系统结构、方法和技术等方面落后于先进国家。随着我国对中子散射谱仪需求的增加，迫切需要开展中子散射，特别是适用于大规模散射探测应用的读出电子学方法研究。.本课题将在研究大规模中子探测器（阵）及其信号特征的基础上，建立与之相匹配的高精度读出电子学方法；研究影响中子探测“死时间”的因素，并将其控制在百纳秒级；研究“温度漂移”对电子学性能的影响，并开展在线实时的补偿算法研究；研制一套小模型样机系统，用于验证本读出电子学方法，并进行长时间的稳定性和抗干扰能力的评估。.通过本联合基金课题的开展，能满足我国在大规模中子散射探测的应用需求，同时也将会极大推动我国在相关学科和技术的发展。

中子是研究物质结构和动力学性质的理想探针，用中子散射技术进行材料、物理、生物等研究，具有显著的优势。随着我国对中子散射谱仪需求的增加，迫切需要开展中子散射，特别是适用于大规模散射探测应用的读出电子学方法研究。.本课题通过研究涂硼MWPC中子探测器的信号特征，建立与之相匹配的前端读出方法，并以大规模探测应用中所带来的多通道、高数据率等问题，从时间差法和重心法两种思路，开展信号读出方法的研究。.为解决大规模探测的需要，本课题基于标准机箱构建读出架构，通过对单元模组的扩展，实现大规模的扩展应用。其中，时间差法基于NIM机箱构建，重心法基于PXIe机箱构建；为控制中子探测“死时间”，探测器信号的检测与读出均采用单元模组并行读出方式，使得时间差法的“死时间”可达100ns，扫描式重心法的“死时间”可达167ns；在时间测量方面，通过对比ASIC与FPGA进行时间测量的研究，本课题采用更加灵活和简洁的基于FPGA的高精度时间测量方法，使得电子学系统时间测量精度好于50ps，进一步经过温度漂移以及非线性在线实时修正后，可以使得测量精度好于20ps。.为验证本课题所提的读出方法，开展了基于时间差和重心法两种技术路线的原型样机研制，并通过了电子学测试、探测器联合调试的验证，取得了较好的实验数据，证明了方法的可行性。此外，本课题虽然针对的是涂硼MWPC中子探测器，但实际上读出方法不只局限于此类探测器，对于中子管、MCP、GEM、MicroMegas等都具有一定的适应性。.本课题执行过程中，发表11篇学术论文、培养4名研究生，包括2名参研人员。本联合基金课题的开展，有助于提升我国在大规模中子散射探测谱仪研制的能力。此外，本课题针对二维位置灵敏探测器所进行的信号匹配和高精度时间测量方法、所提的扫描式开关矩阵阵列重心法和基于高精度DAC的电子学标定方法等，在核与粒子物理实验等相关领域，也具有重要的科学意义和应用前景。.