硅微条探测器具有高位置分辨率、高能量分辨率以及宽线性范围等优点,被广泛应用于粒子探测。硅微条探测器各个读出通道的信号幅度与带电粒子的入射位置、入射方向和电荷量有关,为了更准确的逐事例鉴别入射的带电粒子电荷量,需要利用各个读出通道的信号幅度进行电荷重建。然而经典方法的电荷重建存在无法识别重建异常事件、对刻度的统计性要求高以及没有充分利用多通道信息等问题。针对上述问题,本文引入机器学习算法,提出了优化经典方法和PCA(Principal Component Analysis)方法,以便提高硅微条探测器的电荷分辨。优化经典方法在经典方法的基础上进行了两项改进:首先,针对经典方法无法识别异常事件的问题,优化经典方法提出在进行电荷重建之前,用OPTICS(Ordering Points To Identify the Clustering Structure)聚类算法对数据进行去噪处理,剔除影响电荷重建效果的异常事件;其次,为了减少经典方法中人工赋予电荷量这一步骤的人工干预,优化经典方法提出利用高斯混合聚类算法自主为数据赋予电荷量标签。实验结果表明:基于上述两项改进,优化经典方法的电荷分辨明显优于经典方法的电荷分辨,当电荷量Z=6时,电荷分辨提升了16.5%。针对经典方法和优化经典方法的电荷重建都没有充分利用多通道信息的问题,PCA方法提出在优化经典方法的基础上使用PCA算法分析各个通道的方差贡献率,对信噪比不同的各通道赋予不同的权重。实验结果表明:相较于优化经典方法,PCA方法的电荷分辨值更小,重建电荷谱的峰谷比更大,其电荷重建效果更好,当电荷量Z=16时,电荷分辨提升了10.7%。
硅微条探测器有很高的能量分辨率和位置分辨率、很宽的能量线性范围、较快的时间响应等诸多优点，已被广泛应用于高能物理与核物理实验中。与DC耦合硅微条探测器相比，AC耦合读出将反向漏电流与信号隔离开来，避免了因辐射损伤导致的过大的漏电流流入前放，有效地提高了信噪比。因此，AC耦合硅微条探测器比DC耦合探测器具有明显的优越性。 本文在分析硅微条探测器工作原理的基础上，对硅微条探测器的结构，特别是AC耦合的硅微条探测器的结构，进行了深入细致的探讨，设计了AC耦合硅微条探测器的器件构型和流片工艺，并利用Silvaco软件模拟验证了AC耦合硅微条探测器的工艺和器件参数。以此为基础，独立设计、制作了AC耦合硅微条探测器的光刻掩膜版图和引出PCB版。经过工艺流片和封装，得到了AC耦合硅微条探测器的样品，并利用放射源239u对AC耦合硅微条探测器样品进行了了一系列的性能测试，包括漏电流、全耗尽电压、C-V特性、能谱测试等。测试结果表明，自行研制的AC耦合硅微条探测器性能优越，漏电流非常小，约5n s trip，全耗尽电压为42V，在全耗尽电压下对239u衰变的α粒子的能量分辨率为0588%，可满足核物理与高能物理实验的要求。 最后，用SRIM和自行编写的Matlab程序计算了入射粒子对硅探测器的非电离能量损失，对硅微条探测器的辐射损伤和工作寿命进行了评估。计算结果表明：重离子更容易引起硅探测器的辐射损伤，探测器可承受的最大辐射通量为Φ≈1×10m，Φ≈1×10m-2Φ≈5×10m，Φ≈4×10m。
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