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本文介绍了利用"平面工艺"新技术研制成功的硅微条探测器。该探测器所用的硅材料为n型硅,电阻率为3kΩ·cm,晶向<111>。探测器的厚度为400μm,灵敏面积为18mm×12mm,条宽为20μm条间隔为20μm,共有300个微条。在反向偏压为100V时,其漏电流为5×10^(-9)A。用电荷收集分布方法测得该探测器的位置分辨为5.3μm。

关键词：硅微条探测器探测器位置分辨

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硅微条探测器性能的Monte-Carlo模拟

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南京大学学报（自然科学版） 1997年第4期33卷 527-534页

作者：祁鸣杜胜望王晓华南京大学物理系

利用Ｍｏｎｔｅ－Ｃａｒｌｏ计算机模拟技术，对拟用于北京Ｔａｕ－Ｃｈａｒｍ工厂前端探测系统的硅微条探测器的物理性能进行了探讨；

关键词：探测器物理性能硅微条探测器蒙特卡罗法

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用于空间天文的硅微条探测器原型样机研制

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核技术 2018年第12期41卷 43-50页

作者：韦家驹中国科学院紫金山天文台南京210008 中国科学院暗物质与空间天文重点实验室南京210008

γ射线的天文观测是目前天文观测的前沿课题,通过观测高能γ射线的能谱和空间分布,可以研究宇宙中暗物质的分布及其物理特性。在众多γ射线探测器中,硅微条探测器具有很高的位置分辨率和能量分辨率,并且可以拼接组成大探测面,非常适合... 详细信息

γ射线的天文观测是目前天文观测的前沿课题,通过观测高能γ射线的能谱和空间分布,可以研究宇宙中暗物质的分布及其物理特性。在众多γ射线探测器中,硅微条探测器具有很高的位置分辨率和能量分辨率,并且可以拼接组成大探测面,非常适合探测粒子的径迹和能量。为了解决硅微条探测器的关键技术,包括探测器微组装、前端读出电子学、数据采集电路,实验室自主研制了探测器样机并进行一系列测试。该样机的384个通道在0～180f C的输入动态范围内具有很好的线性(积分非线性小于5%),同时具有很低的噪声(等效输入噪声电荷小于0.16 fC)。样机的宇宙线能谱曲线可以清晰分辨出最小电离粒子的峰位约2.8 fC,并且可以用朗道卷积高斯函数精确拟合。

关键词：暗物质射线硅微条探测器

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硅微条探测器读出系统研究

硅微条探测器读出系统研究

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作者：陈伟中国科学院大学

学位级别：硕士

粒子物理实验通过各种高能辐射探测器来探知粒子的存在，考察、测量粒子的性质。辐射探测器在高能物理、天体物理、核医学等领域有着非常广泛的应用。在现代的大型高能物理、核物理实验中，一般使用多种探测器相互配合组成大的谱仪系统... 详细信息

粒子物理实验通过各种高能辐射探测器来探知粒子的存在，考察、测量粒子的性质。辐射探测器在高能物理、天体物理、核医学等领域有着非常广泛的应用。在现代的大型高能物理、核物理实验中，一般使用多种探测器相互配合组成大的谱仪系统，以全面测量入射粒子的径迹、电荷、动量、质量等信息。确定粒子的径迹是粒子物理实验中的重要要求之一。　　随着科学技术的不断进步，人们对物理实验提出了越来越高的要求。早期在粒子物理实验中发挥过重要作用的径迹探测器，如气泡室、云雾室、多丝正比室、漂移室等探测器，逐渐被性能优良的新型探测器所取代。相比气体探测器、闪烁探测器等，半导体探测器不仅有非常好的位置分辨率和能量分辨率，也有很宽的线性范围和非常快的响应时间。半导体探测器中的硅微条探测器、硅像素探测器、化合物（如碲锌镉/碲化镉等）半导体探测器在径迹探测方面都有着广泛的应用。　　基于硅微条探测器优越的位置分辨能力，同时相对于像素型的探测器来说又不需要太庞大的读出电子学通道，硅微条探测器在高能辐射探测试验中有不可替代的优势。近十几年来，世界各大高能物理实验几乎都用它作为径迹探测器。硅微条探测器根据沉积能量的不同，一般输出几fC到几百fC电荷，为精确测量入射粒子的信息，需搭配低噪声（噪声要求达到几千甚至几百个电子以下）、高集成度的多通道读出电子学对其输出电荷实现测量。　　本论文基于Micron公司的硅微条探测器研制电子学读出系统，搭建测试平台，并利用宇宙线、激光等对其性能进行测试。首先利用挪威IDEAS公司的电荷测量芯片VA140设计了多通道（128通道）、低噪声电子学读出系统，并且对此系统的噪声水平、动态范围、线性程度、通道串扰等指标进行了测试;其次使用日本Hamamatsu公司的硅光电二极管测试了电子学系统单通道的测试性能;最后将硅微条探测器安装于电子学系统组成探测系统，测试了此探测系统对宇宙线Muon的MIPs响应，并使用1064nm的红外激光对探测系统的位置分辨、能量线性等进行了测试。　　测试结果表明，电子学系统的噪声小于600电子(＜0.1fC@0pF)，在0～200fC范围有良好线性，0～180fC之间积分非线性小于3％，VA芯片的通道间串扰认为可以忽略。室温下，硅微条探测系统的噪声小于1100电子，Muon的MIPs响应峰值在50ADC bin附近，符合预期的计算结果;通过条间电荷分配情况计算的激光位置与激光实际位置符合较好，系统线性水平的积分非线性～5.33％，此探测系统可线性测量0～60MIP。

关键词：硅微条探测器径迹测量读出系统位置分辨

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硅微条探测器稀疏读出电路系统的设计和实现

硅微条探测器稀疏读出电路系统的设计和实现

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作者：贺跃光中国科学技术大学

学位级别：硕士

大部分高能物理实验都需要对粒子的轨迹进行测量,这通过待测粒子和径迹探测器相互作用进行探测。高能物理实验通过选择合适的径迹探测器来将粒子的位置信息转变成可被电子学系统处理、存储的电子学信号。随着几十年的发展,径迹探测器也... 详细信息

大部分高能物理实验都需要对粒子的轨迹进行测量,这通过待测粒子和径迹探测器相互作用进行探测。高能物理实验通过选择合适的径迹探测器来将粒子的位置信息转变成可被电子学系统处理、存储的电子学信号。随着几十年的发展,径迹探测器也从早期的威尔逊云室发展到多丝正比室,再到当今应用越来越广泛的半导体探测器,使得探测器的空间分辨能力、灵敏度越来越高。随着半导体工艺的迅速发展,半导体探测器的性能也在不断地提升,其中硅微条探测器的发展和应用无疑是非常突出的一个。硅微条探测器凭借着良好的位置分辨率、较快的响应时间、很宽的线性响应范围等特点,在天体物理、宇宙线物理、核医学等领域的应用得到了广泛的发展。当前几个大型的空间高能粒子物理实验的径迹探测器也都普遍选用硅微条探测器。硅微条探测器输出信号比较微弱,因此探测器前端电子学设计时必须要最大限度地抑制噪声,提高信噪比。另外,硅微条探测器系统一般具有大量的信号通道数,要求前端电子学具有很高的集成度。近几十年,随着集成电路的快速发展,使得体积小、集成度高、噪声水平低的电荷测量专用芯片成为了硅微条探测器的前端电子学设计的重要组成部分。大型实验中,径迹探测器有数万个甚至数十万个的硅微条信号输出通道,在单次事例中如果采集所有通道原始信号,采集得到的数据量将十分庞大。而入射高能粒子穿过探测器时,仅有数个通道着火,其余通道均为基线冗余数据。为了对探测器的数据进行“零”压缩,在一些空间高能探测实验中,探测系统的前端电子学一般先完成探测器所有通道模拟信号的采集量化,然后通过FPGA或者DSP控制单元完成对硅微条信号的压缩处理:通过寻找着火通道并保留通道簇(Cluster)的幅值信息,剔除冗余基线数据以提高有效信息占比。随着CMOS工艺的发展,前端电子学中和探测器直接相连的电荷测量ASIC芯片也可以集成数据的“零”压缩功能,即仅仅输出“着火”通道的模拟信号,这样就大大降低后端信号采样量化以及前端电子学中FPGA/DSP的数据处理压力,有利于提高系统的整体性能。本论文基于挪威IDEAS公司开发的VATAGP8芯片设计了硅微条探测器稀疏读出的电子学系统,实现了在前端电荷测量ASIC内数据的压缩,即稀疏读出。VATAGP8芯片不仅具备全通道读出的串行读出模式,而且还具有只读出着火通道地址、幅值的稀疏读出模式。设计完成后的电子学系统包括前端电子学、数据获取系统和上位机软件,并设计了三种工作模式:基线采集、线性刻度和正常工作模式。本论文完成了电子学系统和硅微条探测器的系统集成测试,测试结果表明:前端电子学的噪声约在0.7-1.1 ADC bin(小于380 e-@0 pF,不超过470 e-@18 pF);在0-250 fC输入动态范围内128个通道线性刻度得到约14.54 bin/fC的增益,前端电子学电荷测量的积分非线性小于2%。硅微条探测器对宇宙线Moun的MIPs峰值在串行、稀疏读出模式下分别为48.95、43.25ADC bin。用激光模拟带电粒子对硅微条探测器进行了扫描测试,结果表明硅微条探测器相邻读出条的间距为240+/-5μm,条间分配系数在η=0.25以及η=0.75附近具有良好的线性,符合预期。

关键词：硅微条探测器 VATAGP8 前端读出电子学

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硅微条探测器的研制及辐射损伤研究

硅微条探测器的研制及辐射损伤研究

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作者：汪鹏飞中国科学院大学

学位级别：硕士

硅微条探测器因具有很好的位置分辨率与能量分辨率而得到广泛应用，在兰州重离子加速器的外靶实验终端上，硅微条阵列可配合CsI(T1)量能器来完成带电离子的鉴别。硅微条探测器价格昂贵，制作工艺复杂，商用产品在构型方面存在诸多限制... 详细信息

硅微条探测器因具有很好的位置分辨率与能量分辨率而得到广泛应用，在兰州重离子加速器的外靶实验终端上，硅微条阵列可配合CsI(T1)量能器来完成带电离子的鉴别。硅微条探测器价格昂贵，制作工艺复杂，商用产品在构型方面存在诸多限制。为了能根据自身实验目标设计探测器的构型，中国科学院近代物理研究所自行研制了厚度300μm、双面96条的硅微条探测器芯片。芯片经划片、邦定等步骤和巧妙设计的刚柔板，实现了探测器的封装。配合ASIC芯片的前端电路，硅微条探测器阵列成功布局到外靶实验终端上，并方便地给出了探测器每一条的能量信息和位置信息。真空下测试，这些探测器对5MeV～9MeV能量的射线的能量分辨率在1％左右，满足实验要求。\n 但是经过高通量的带电粒子和中子辐照后，硅微条探测器辐射损伤比较严重。损伤主要表现为:漏电流增大、全耗尽电压增大、能量分辨率变差等。导致辐射损伤的主要原因是入射粒子在材料中的位移损伤引起的缺陷，它改变了材料的电学特性。因此，可用非电离能损(NIEL)来定标硅微条探测器辐射损伤程度。通过SRIM程序模拟NIEL结果可知，相同能量的重离子在硅中的NIEL要比质子大很多(12C离子约比质子大3个数量级)。由此可见，重离子更容易引起硅微条探测器的辐射损伤。\n 我们选择受总能量为400MeV的8B，7Be，6Li离子，总通量达到109/cm2的放射性束流照射过的硅微条探测器进行研究，其NIEL值预计达到了1.52×108MeVcm2/g。对比其受辐照前后的I-V特性、C-V特性测试数据，得知损伤效应明显，探测器漏电流增大一个以上量级，全耗尽工作电压和工作电容也明显增大，且真空中对241Amα粒子能量分辨率由辐射前的1％增大到辐照后的6％。因此，抗辐照硅条探测器的研就势在必行。

关键词：硅微条探测器辐射损伤电学特性制作工艺

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基于自研ASIC芯片HEPS中硅微条探测器读出电子学原型系统设计与测试

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核电子学与探测技术 2024年第1期44卷 51-60页

作者：杨宗信李航旭胡创业周杨帆陈一鸣郑波南华大学核科学与技术学院衡阳421001 先进核能技术设计与安全教育部重点实验室衡阳421001 中国科学院高能物理研究所北京100049

时间分辨X射线粉末衍射技术是探测物质晶体结构及其演变的重要手段。单光子计数型硅微条探测器因其灵敏度高和死时间低,在高能同步辐射光源(HEPS)的X射线粉末衍射实验中发挥着重要作用。研制适用于单光子计数型一维硅微条探测器的专用A... 详细信息

时间分辨X射线粉末衍射技术是探测物质晶体结构及其演变的重要手段。单光子计数型硅微条探测器因其灵敏度高和死时间低,在高能同步辐射光源(HEPS)的X射线粉末衍射实验中发挥着重要作用。研制适用于单光子计数型一维硅微条探测器的专用ASIC读出芯片(SSDROC)及其读出电子学系统,并采用一种新标定方法解决了SSDROC各通道对同一输入输出响应不一致的问题,该方法可显著提高各通道数据一致性并减小衍射实验数据的统计误差。探测器完成各项性能测试,结果表明整体系统线性优秀、能量分辨能力强、噪声低以及计数率高,为将来大覆盖角度一维硅微条探测器系统研制奠定坚实基础。

关键词：单光子计数硅微条探测器 ASIC芯片读出电子学二次阈值标定

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机器学习法优化硅微条探测器电荷重建

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核电子学与探测技术 2023年第2期43卷 318-324页

作者：闵江洪乔锐于龙昆彭文溪龚轲郭东亚崔兴柱刘雅清南昌大学信息工程学院南昌330031 中国科学院高能物理研究所北京100049 南昌大学先进制造学院南昌330031

为了消除硅微条探测器的电荷响应对入射位置和入射方向的依赖,提高电荷分辨能力,使用OPTICS、高斯混合与主成分分析三种机器学习算法协同完成了电荷重建,并与经典方法进行对比。结果表明,相较于经典方法,基于机器学习重建的电荷谱峰谷... 详细信息

为了消除硅微条探测器的电荷响应对入射位置和入射方向的依赖,提高电荷分辨能力,使用OPTICS、高斯混合与主成分分析三种机器学习算法协同完成了电荷重建,并与经典方法进行对比。结果表明,相较于经典方法,基于机器学习重建的电荷谱峰谷比更大、电荷分辨更小,重建效果更好。

关键词：硅微条探测器电荷重建机器学习

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