適用于電子倍增器件的電荷靈敏放大器的設(shè)計(jì)

張斌婷，閆保軍，劉術(shù)林，溫凱樂(lè)，王玉漫,3，谷建雨,4，姚文靜,5

適用于電子倍增器件的電荷靈敏放大器的設(shè)計(jì)

張斌婷1,2，閆保軍1,2，劉術(shù)林1,2，溫凱樂(lè)1，王玉漫1,3，谷建雨1,4，姚文靜1,5

（1. 中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所 核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100049；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 物理科學(xué)學(xué)院，北京 100049；3. 南京大學(xué) 物理學(xué)院，江蘇 南京 210093；4. 廣西大學(xué) 物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530004；5. 河南大學(xué) 物理與電子學(xué)院，河南 開(kāi)封 475001）

介紹了一種自主研制的新型電荷靈敏型三級(jí)放大器，其電路設(shè)計(jì)主要采用ADA4817高速低噪聲集成運(yùn)算放大芯片，該三級(jí)放大器噪聲低、穩(wěn)定性好、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性價(jià)比高、檢修更換方便，可以不失真地放大上升時(shí)間在ns級(jí)的信號(hào)，放大器輸出信號(hào)質(zhì)量?jī)?yōu)異，可配合后續(xù)的多道分析器MCA8000D讀取微通道板（microchannel plate，MCP）組件或單通道電子倍增器（single-channel electron multiplier，CEM）的單光電子譜，測(cè)試結(jié)果表明：自主設(shè)計(jì)的ADA4817型放大器在一定的方波標(biāo)定脈沖信號(hào)下，其基線的寬度小于2mV，上升沿時(shí)間約為800ns，幅值約為40mV，性能接近或略優(yōu)于A250型放大器，可以更好地配合后續(xù)的多道分析器MCA8000D進(jìn)行輸出波形的分析和處理，完全滿足MCP或CEM探測(cè)器的脈沖性能測(cè)試需求。

電子倍增器；脈沖計(jì)數(shù)；單光電子譜；電荷靈敏放大器

0 引言

在單光子計(jì)數(shù)或成像探測(cè)器以及需要單離子檢測(cè)儀器中，特別是檢測(cè)通過(guò)各種技術(shù)手段轉(zhuǎn)化來(lái)的極其微弱的電子或離子信號(hào)時(shí)，多數(shù)采用各種型號(hào)和規(guī)格的電子倍增器，包括分離式打拿極型電子倍增器（典型的是ETP ion detect系列產(chǎn)品）和單通道電子倍增器（channel electron multiplier，CEM），如對(duì)響應(yīng)時(shí)間要求更高，則采用微通道板（microchannel plate，以下簡(jiǎn)稱MCP）組件（2～3塊MCP）來(lái)檢測(cè)上述事例（電子或離子），為了精準(zhǔn)地檢測(cè)這些事例，往往在倍增器件之后，串聯(lián)一個(gè)電荷靈敏放大器，把放大的電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)并進(jìn)一步放大，隨后再進(jìn)行處理，故此，電荷靈敏放大器是檢測(cè)極其微弱的電子或離子信號(hào)不可或缺的部件。

作為倍增上述事例的CEM或MCP組件，它們都采用鉛硅酸鹽玻璃經(jīng)Ｈ2還原處理的通道或通道陣列作為基底，該通道內(nèi)壁往往具有較高的二次電子發(fā)射系數(shù)[1-2]，在電場(chǎng)的作用下，使進(jìn)入通道內(nèi)的電子（或離子轉(zhuǎn)換后的電子）碰撞通道內(nèi)壁，持續(xù)實(shí)現(xiàn)電子雪崩放大。因此，CEM或MCP及其構(gòu)成的組件可以探測(cè)電子、X射線、γ射線和帶電離子的特性，其廣泛應(yīng)用于微光像增強(qiáng)器、光電倍增管、飛行時(shí)間質(zhì)譜儀、核輻射和空間粒子探測(cè)器等設(shè)備中，極大地促進(jìn)了軍事、生物、醫(yī)學(xué)和粒子物理等領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展[3-4]。

當(dāng)CEM或MCP組件的輸入信號(hào)十分微弱時(shí)，即假定其輸入的是單電子或單離子信號(hào)，因?yàn)殡娮釉谕ǖ纼?nèi)壁隨機(jī)碰撞和倍增，其輸出的陽(yáng)極信號(hào)電荷量具有一定的漲幅起落，會(huì)形成脈沖高度分布（pulse height distribution，PHD），也可以稱之為輸出電荷譜[5]。盡管單電子或單離子信號(hào)經(jīng)過(guò)上述倍增器件增強(qiáng)后有所放大，但仍屬于極其微弱的電荷信號(hào)，轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，其幅度大約為幾到幾十毫伏，脈沖寬度也在十幾納秒量級(jí)，上升及下降沿小于幾個(gè)納秒，直接測(cè)量對(duì)電子學(xué)性能要求較高。通常，要讀取其輸出波形且計(jì)算相應(yīng)參數(shù)時(shí)，需要配合一定的后端電子學(xué)放大處理波形，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集及后續(xù)分析處理，目前國(guó)內(nèi)采用的后端電子學(xué)一般為從國(guó)外進(jìn)口的基于A250型或其它芯片為核心設(shè)計(jì)的放大器，價(jià)格昂貴，購(gòu)買受限，或者由各個(gè)有需求的實(shí)驗(yàn)室自主研制放大器，配合實(shí)驗(yàn)的測(cè)試需求，但專門針對(duì)測(cè)試電子倍增器件脈沖性能的則較少。因此，本文以測(cè)試CEM或MCP組件的脈沖性能實(shí)驗(yàn)為前提，設(shè)計(jì)了一種可以有效讀取陽(yáng)極脈沖信號(hào)的放大器。

1 放大器的設(shè)計(jì)與模擬

1.1 原理圖與電路板設(shè)計(jì)

電荷靈敏前置放大器[6-8]屬于積分型放大器，其輸出信號(hào)的幅度正比于輸入電流對(duì)時(shí)間的積分，即輸出信號(hào)的幅度正比于輸入信號(hào)的總電荷量。電荷靈敏前置放大器的基本原理如圖1所示，其中，為耦合電容，d為探測(cè)器偏置電阻，f為反饋電容，與之并聯(lián)的f為反饋電阻。為了保證f上電荷的正常積累，一般選取f為MW～GW量級(jí)，f主要用來(lái)泄放掉f上的電荷以及產(chǎn)生直流負(fù)反饋以穩(wěn)定放大器的直流工作點(diǎn)，電荷靈敏前置放大器的輸出電壓幅值一般由所積累的電荷量和反饋電容決定。

圖1 電荷靈敏放大電路圖

盡管電荷靈敏前置放大器的噪聲很低，后端的輸出信號(hào)依然存在著噪聲和干擾，因此需要后續(xù)的放大器來(lái)繼續(xù)處理波形，且由于本文采集信號(hào)的多道分析器處理脈沖的尋峰時(shí)間上升沿有固定要求，本文又引入了濾波電路和整形電路，形成了有三級(jí)輸出的電路圖，使其最終的輸出信號(hào)可以滿足多道分析器的要求，可供后續(xù)的PC端讀取。與此同時(shí)，在電荷靈敏前置放大器后增加了一級(jí)“極-零”相消電路，使其輸出信號(hào)的后沿有所改善，隨后的兩極電路對(duì)信號(hào)再進(jìn)行濾波整形和幅度放大。考慮到信號(hào)接入、放大波形的讀出、芯片供電、電源濾波和阻抗匹配等問(wèn)題，特設(shè)計(jì)如圖2所示的放大器的電路原理和印刷電路板，其中test端（T）串聯(lián)了一個(gè)固定容值的刻度電容，由信號(hào)發(fā)生器輸入一個(gè)已知的階躍脈沖，如方波，可以進(jìn)行放大器的刻度標(biāo)定，signal端（S）為輸入信號(hào)端，陽(yáng)極輸出的脈沖信號(hào)經(jīng)三級(jí)電路的放大整形后由output端（O）輸出，繼續(xù)接入后端的多道分析器及PC端進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析和處理。

圖2 三級(jí)輸出電路原理

1.2 軟件模擬

LTspice[9]是美國(guó)ANALOG DEVICES公司開(kāi)發(fā)的一款高性能SPICE仿真軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)電路圖捕獲和波形觀測(cè)器、集成增強(qiáng)功能和模型、簡(jiǎn)化了模擬電路的仿真，通常適用于大多數(shù)ADI開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器、放大器以及用于通用電路仿真的器件庫(kù)。LTspice具有專為提升現(xiàn)有多內(nèi)核處理器的利用率而設(shè)計(jì)的多線程求解器，同時(shí)內(nèi)置了新型SPARSE矩陣求解器，這種求解器采用匯編語(yǔ)言，旨在接近現(xiàn)用FPU（浮點(diǎn)處理單元）的理論浮點(diǎn)計(jì)算限值，即相比于其它的仿真軟件，LTspice不僅功能強(qiáng)大，且電路仿真速度也更加迅速，耗時(shí)更短。

本文即采用LTspice軟件開(kāi)展對(duì)放大器的預(yù)先仿真，由于軟件自帶的模型不能滿足需求，本文所使用的放大器芯片模型從其供應(yīng)商處下載，后導(dǎo)入LTspice軟件中配合之前設(shè)計(jì)好的三級(jí)放大電路完成仿真，圖3所示為L(zhǎng)Tspice軟件中的三級(jí)放大電路示意圖。因仿真軟件提供電源為理想電源，故省略了實(shí)際電路中的濾波部分，其中，通過(guò)調(diào)整相對(duì)應(yīng)電路部分中的電阻和電容的數(shù)值，可以有效改變?nèi)?jí)放大電路最終輸出波形的上升沿、下降沿和幅值放大倍數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)。

2 結(jié)果與比較

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在本次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行之前，我們對(duì)實(shí)際的電路板進(jìn)行了焊接與測(cè)試?？紤]到實(shí)際電路板中有電容、電阻及輸入輸出轉(zhuǎn)換接口的引入，會(huì)有熱噪聲等一系列系統(tǒng)誤差，在相同的幅度、周期和占空比的脈沖信號(hào)下，使用LTspice軟件模擬得出的結(jié)果，與使用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生方波信號(hào)，經(jīng)實(shí)際電路板三級(jí)放大之后，連接至示波器觀察到的結(jié)果相比較，其幅值、上升沿和放大倍數(shù)等參數(shù)符合得較為一致，如圖4、5所示。

圖3 三級(jí)放大電路模擬原理

圖4 模擬結(jié)果

圖5 測(cè)試結(jié)果

考慮到如何更好地評(píng)價(jià)新設(shè)計(jì)的電荷靈敏放大器的性能，我們采用如圖6（a緊貼型，b間隙兩電極型，c間隙三電極型，d間隙加壓型）所示MCP組件[10]，由于其不僅可以有效地抑制離子反饋，且增益較高（其中，b、c、d結(jié)構(gòu)的增益可以達(dá)到106甚至更高），因此可以用來(lái)探測(cè)極其微弱的單電子或單離子信號(hào)。另外，我們也采用如圖7所示的CEM作為放大器的微弱信號(hào)源。

圖6 MCP裝配圖

圖7 CEM實(shí)物

將MCP組件或CEM作為電荷靈敏放大器的信號(hào)源，實(shí)驗(yàn)研究是在本實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的微通道板實(shí)驗(yàn)與測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行，MCP組件或CEM、陽(yáng)極、電子學(xué)連接以及隨后的放大器等實(shí)現(xiàn)單光子或離子檢測(cè)的裝置[11]如圖8所示。MCP組件或CEM經(jīng)裝配固定后送入測(cè)試的腔室內(nèi)，其供電電極、陰極和陽(yáng)極分別經(jīng)腔室外部的轉(zhuǎn)接電極連接至高壓電源，每路高壓均可單獨(dú)進(jìn)行調(diào)節(jié)。信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生脈沖電壓，激發(fā)紫外燈發(fā)射光子，光子經(jīng)過(guò)腔室與外界連接的石英窗口，可以照射至測(cè)試工位下方的透射金陰極上，由此產(chǎn)生光電子，光電子在電場(chǎng)的作用下繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)MCP組件或CEM之后得到進(jìn)一步的倍增，再由陽(yáng)極拾取電荷。本文調(diào)節(jié)脈沖電壓的幅度，使單個(gè)脈沖光激發(fā)金陰極產(chǎn)生的光電子的概率約為10%，可以認(rèn)為此光強(qiáng)輸入下的輸出脈沖電荷譜為單電子譜[12]。

圖8 單光電子譜測(cè)試原理

光電子由信號(hào)發(fā)生器激發(fā)的深紫外發(fā)光二極管產(chǎn)生，經(jīng)金陰極和第一片MCP（或CEM）輸入面之間的電場(chǎng)加速運(yùn)動(dòng)，入射至MCP的某一通道內(nèi)，可碰撞產(chǎn)生二次電子進(jìn)行連續(xù)倍增，再?gòu)耐ǖ滥┒溯敵龃罅侩娮樱^續(xù)在電場(chǎng)的作用下做擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入第二片MCP內(nèi)參與倍增，最終輸出的脈沖信號(hào)由陽(yáng)極接收，經(jīng)腔室外接電極連接至示波器觀察波形，也可接入放大電路，如圖9為經(jīng)放大電路之后示波器上觀察到的波形，再連接至多道分析器讀取其脈沖高度分布圖，以便于后期的數(shù)據(jù)采集，處理和分析。

圖9 經(jīng)放大器后的累積波形

2.2 參數(shù)比較

為了評(píng)價(jià)本文所做的ADA4817電荷靈敏型放大器的性能，我們將它與美國(guó)Ampetk公司生產(chǎn)的A250芯片與A275混合構(gòu)成的電荷靈敏三級(jí)放大器[13]分別進(jìn)行測(cè)試，且配合MCA8000D讀取其刻度條件下的脈沖高度分布，通過(guò)擬合計(jì)算其每一道所對(duì)應(yīng)的電荷量，以便于后續(xù)的增益計(jì)算。因其test端所設(shè)置的刻度電容的數(shù)值與整體電路的具體設(shè)計(jì)不同，兩個(gè)放大器三級(jí)輸出后的脈沖波形略有差異，表1為相同的輸入信號(hào)下，輸出波形的部分參數(shù)的對(duì)比結(jié)果。

在本實(shí)驗(yàn)室測(cè)試條件下，我們選取了CEM進(jìn)行測(cè)試，在相同的實(shí)驗(yàn)條件，即單光電子狀態(tài)下，分別使用兩種放大器來(lái)對(duì)陽(yáng)極輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行放大整形，再配合后續(xù)的多道分析器MCA8000D讀取其輸出的脈沖高度分布圖。探測(cè)器工作電壓為1900 V時(shí)，使用兩種放大器，配合多道分析器MCA8000D得到的脈沖高度分布如圖10所示，可以看出，ADA4817所讀取到的脈沖高度分布的基線更窄更干凈，且無(wú)多余的基線前方的噪聲信號(hào)，有利于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析處理。

表1 放大器參數(shù)對(duì)比結(jié)果

圖10 脈沖高度分布對(duì)比圖

另外，本實(shí)驗(yàn)亦采用直接從示波器讀取一定時(shí)間內(nèi)的陽(yáng)極輸出信號(hào)，進(jìn)行一系列的數(shù)據(jù)分析，得出如圖11所示的輸出信號(hào)電荷譜，通過(guò)擬合得出其在單光子狀態(tài)下積累的電荷量，利用公式計(jì)算得到CEM的增益，將其作為有效準(zhǔn)確的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而與先前所使用的兩款放大器的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析比較。

通過(guò)由放大器配合多道分析器MCA8000D所得到的脈沖高度分布圖，擬合得出其基線和單光電子譜的位置，計(jì)算出CEM的增益。為了比較兩種放大器的測(cè)試結(jié)果，本文以輸出信號(hào)電荷譜得出的增益作為標(biāo)準(zhǔn)，分別對(duì)兩種放大器由脈沖高度分布圖得出的增益做歸一化處理，其CEM增益隨電壓變化曲線如圖12所示，可以看出其測(cè)試結(jié)果相似，即本文所研制的ADA4817電荷靈敏放大器可以替代A250電荷靈敏放大器使用，能有效精準(zhǔn)地測(cè)試CEM（或MCP組件）在脈沖狀態(tài)下的性能參數(shù)，對(duì)其應(yīng)用于各類探測(cè)器中提供科學(xué)完備的技術(shù)指標(biāo)，避免放大器損壞維修時(shí)出現(xiàn)“卡脖子”問(wèn)題。

圖11 輸出信號(hào)電荷譜

圖12 CEM增益隨電壓變化圖

本文所研制的放大器噪聲低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好，其性能接近于進(jìn)口A250電荷靈敏型放大器，同時(shí)其制作過(guò)程簡(jiǎn)單，性價(jià)比高，輸出信號(hào)上升沿更為平緩，與后續(xù)的多道分析器結(jié)合時(shí)，讀取到的陽(yáng)極輸出信號(hào)的脈沖高度分布圖基線更為干凈，有利于之后的數(shù)據(jù)分析。

3 結(jié)論

本文基于電荷靈敏前置放大器的基本原理，選取了可以滿足MCP組件或CEM探測(cè)器測(cè)試需求的運(yùn)放芯片ADA4817，設(shè)計(jì)了具有三級(jí)輸出的放大電路，通過(guò)前期的原理圖設(shè)計(jì)、電路參數(shù)的仿真和調(diào)試、印刷電路板的設(shè)計(jì)、實(shí)際電路板的焊接與測(cè)試，最終實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目需求，即在微弱輸入信號(hào)下對(duì)上述探測(cè)器輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行幅值放大和濾波整形，進(jìn)而接入后端的多道分析器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理和分析，最終實(shí)現(xiàn)了探測(cè)器的單光電子譜測(cè)量，計(jì)算出CEM（或MCP）探測(cè)器的關(guān)鍵參數(shù)，如在脈沖計(jì)數(shù)狀態(tài)下的增益等，實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)器性能進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，使其可以更好地應(yīng)用在微弱信號(hào)測(cè)量、質(zhì)譜儀器研制等領(lǐng)域中。

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Design of Charge-Sensitive Amplifiers for Electron Multipliers

ZHANG Binting1,2，YAN Baojun1,2，LIU Shulin1,2，WEN Kaile1，WANG Yuman1,3，GU Jianyu1,4，YAO Wenjing1,5

(1.,,100049,; 2.,,100049,; 3.,,210093,; 4.,,530004,; 5.,,475001,)

A new type of charge-sensitive three-stage amplifier was developed. The circuit design mainly adopted anADA4817 high-speed and low-noise integrated operational amplifier chip. The three-stage amplifier had low noise, good stability, a simple circuit structure, high cost performance, and ease of maintenance. It could amplify signals with rise time in nanoseconds without distortion, and the output signal quality of the amplifier was excellent. It was used with a multi-channel analyzer MCA8000D to read a single photoelectron spectrum of a microchannel plate (MCP) assembly or a single channel electron multiplier (CEM). The test results show that the custom-made amplifier fully satisfied the pulse performance test requirements of MCP or CEM detectors, and its technical indicators were close to those of imported A250 amplifiers.

electron multiplier, pulse count, single electron spectrum, charge sensitive amplifier

O4

A

1001-8891(2022)08-0792-06

2021-07-05；

2021-08-10.

張斌婷（1996-），女，博士研究生，粒子物理與原子核物理。E-mail:zhangbt@ihep.ac.cn。

閆保軍（1985-），男，博士，副研究員，主要從事電子倍增器探測(cè)技術(shù)方面的研究。E-mail: yanbj@ihep.ac.cn。

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（11675278，11975017），國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（11535014），核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目（SKLPDE-ZZ-202015，SKLPDE-ZZ-202102）。