真空下高分辨高计数率位置灵敏3He管阵列读出电子学研究

China Spallation Neutron Source (CSNS), as a large research infrastructure, is of great significance for China to explore cutting-edge scientific issues and solve the key technologies of the industry. CSNS is planning to build seven user spectrometers, five of which will use large-area 3He tube array detectors. These spectrometers place high demands on 3He tube readout electronics in terms of position resolution, counting rate, and signal-to-noise ratio. In response to these technical challenges, this project proposes a readout electronics solution based on direct sampling and full digital processing of detector signals. Current preamplifier will be used to eliminate the charge equalization effect. Combined with digital charge integration and baseline recovery, position resolution and linearity will be improved. Improvement on the n/γ discrimination and pileup rejection are realized with pulse shape discrimination, which ensures the signal-to-noise ratio at high counting rate. Using low-power design techniques both in hardware and software to reduce power consumption of the electronics. Heat dissipation mechanism under vacuum will be systematically studied, laying an important foundation for the realization of electronics working under vacuum. The research results of this project will provide important guarantee for the construction of new spectrometers in CSNS. It can also be used in other domestic neutron scattering facilities and has broad application prospects.

中国散裂中子源（CSNS）作为国家重大科技基础设施，对探索前沿科学问题、攻克产业“卡脖子”核心技术具有重要意义。CSNS正在规划新建7台用户谱仪，其中有5台谱仪将采用大面积3He管阵列探测器，对3He管读出电子学在分辨率、计数率、信噪比等方面都提出了高要求。针对这些挑战，以前期的研究工作为基础，本项目提出基于探测器信号直接采样和全数字化处理的读出电子学方案。采用电流前放消除电荷平衡效应的影响，结合数字化电荷积分和基线恢复，提高位置分辨和线性度。结合脉冲波形甄别技术提高3He管的n/γ甄别比，实现堆积信号的判弃，保证系统在高计数率下的信噪比。软硬件结合充分采用低功耗设计技术，降低电子学系统功耗。研究真空下元器件的散热机制以及辅助散热措施，为进一步实现电子学在真空下工作打下重要基础。本项目的研究成果，将为CSNS后续谱仪的建设提供重要保障，也可以用于国内其他中子散射装置，具有广泛的应用前景。

中国散裂中子源（CSNS）作为国家重大科技基础设施，对探索前沿科学问题、攻克产业“卡脖子”核心技术具有重要意义。CSNS正在规划新建7台用户谱仪，其中有5台谱仪将采用大面积3He管阵列探测器，对3He管读出电子学在分辨率、计数率、信噪比、功耗等方面都提出了高要求。针对这些挑战，以前期的研究工作为基础，本项目提出基于探测器信号直接采样和数字化滤波的读出电子学方案。本项目建立了位置灵敏3He管探测器前端电子学模型，结合电路仿真软件研究了不同部件和参数对位置分辨的影响。设计了多通道低噪声探测器前端模拟滤波电路和低功耗数据采集系统，实现了波形采样、双端读出等功能。基于上述基础，开发了数字化高斯滤波和梯形滤波算法替代前端模拟滤波电路，以及脉冲触发、基线修正和堆积判弃等功能模块。在CSNS专用测试束线搭建实验平台，对探测器及电子学系统的噪声、幅度谱、计数率、分辨率等关键性能指标进行了具体评估。结果表明，对于8mm直径1m长的3He管（CSNS小角谱仪使用），位置分辨率约6-8mm，位置偏差小于1mm，显著优于现有电子学系统。对于25.4mm直径0.5m长的3He管（CSNS多物理谱仪使用），位置分辨率约8-10mm，位置偏差小于1mm。整个电子学系统计数率大于300KHz。基于数字滤波算法的系统，在最佳的滤波参数下，位置分辨率性能和基于模拟滤波的系统相当，但前端电路功耗降低70%。本项目所研制的电子学系统，目前已成功应用于CSNS多物理谱仪、微小角谱仪等谱仪以及小角谱仪升级，后续可用于其他采用位置灵敏3He管探测器的谱仪。