新型X射线探测设备的探索性研究

论文摘要

高电荷态离子是宇宙中物质存在的重要形式,光谱学研究手段是对高电荷态离子性质诊断的重要方法。X射线作为电磁波谱中能量覆盖范围很大的一个波段携带了大量信息,对它的观测是研究高电荷态离子内部结构以及它们与其它物质相互作用过程的重要手段。以往由于受到技术的限制,在X射线光谱范围内的能谱观测条件有限。最近几十年,随着半导体技术的发展以及一大批新材料新技术的应用,出现了许多新的探测手段。本论文涉及到电荷耦合器件(CCD)和微卡计这两种探测器,其中CCD探测器因其优异的位置灵敏特性已被广泛应用于光谱分析和成像领域,微卡计则以其高能量分辨率、宽能谱测量范围、高探测效率成为最具潜力的X射线探测设备之一。然而这类探测器涉及真空机械、低温工程、光学、材料、电子线路、控制逻辑、软件等众多学科领域的高尖端技术,目前国内只能通过进口渠道获得CCD探测器,微卡计制造技术更为美国所垄断而难于获得。本课题分为CCD探测器系统研制和微卡计探索性研制两个部分。在第一部分工作中,首先研制并测试了一个可见光线阵CCD系统,为面阵CCD探测器的系统构架、控制信号生成、数据读出和处理等各项功能进行了验证。又在此基础上继续为科研级X射线面阵CCD探测器的研制在真空结构、制冷控制、信号处理等方面进行了一系列预研工作。第二部分是国内首台高能量分辨且高探测效率的微卡计系统的探索性研制工作。完成了整个系统规划设计、真空机械结构设计及一个16通道微卡计输出脉冲信号处理系统设计、组装和相关测试工作。本课题针对高电荷态离子物理研究的需求,希望通过一系列设计和测试工作,为自行研制科研级X射线面阵CCD探测器和微卡计系统进行了一些探索性研究和尝试。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 EBIT装置简介
• 1.2 研究X射线的重要性
• 1.3 传统X射线探测设备
• 1.4 CCD简介
• 1.4.1 CCD的基本结构和工作原理
• 1.4.2 适合EBIT装置的CCD设备
• 1.5 微卡计简介
• 1.6 小结
• 第二章 可见光线阵CCD探测器的研制
• 2.1 系统规划
• 2.1.1 CCD芯片的选取和基本特性
• 2.1.2 系统规划
• 2.2 电路设计
• 2.2.1 主要芯片选型和线路设计
• 2.2.2 功率估算及电源方案选型设计
• 2.2.3 线路板设计
• 2.3 单片机相关硬件及软件设计
• 2.3.1 单片机硬件规划
• 2.3.2 单片机与CPLD的通讯
• 2.4 CPLD固件设计
• 2.4.1 系统规划
• 2.4.2 模拟和测试
• 2.5 PC端软件设计
• 2.6 系统测试
• 2.7 小结
• 第三章 科研级面阵CCD探测器预研
• 3.1 系统规划
• 3.1.1 研制动机
• 3.1.2 传感器芯片的选用和系统规划
• 3.2 真空机械结构预研
• 3.2.1 利用PCB板密封方案
• 3.2.2 自制大电流真空电极方案
• 3.2.3 Micro-D型真空电极方案
• 3.3 制冷系统预研
• 3.3.1 系统规划
• 3.3.2 制冷测试
• 3.4 控制电路预研
• 3.5 数据处理软件预研
• 3.6 小结
• 第四章 微卡计系统规划
• 4.1 微卡计系统的主要技术
• 4.1.1 吸收体
• 4.1.2 制冷
• 4.1.3 温度传感器
• 4.1.4 信号处理
• 4.2 微卡计系统规划
• 4.2.1 探测器
• 4.2.2 制冷系统
• 4.2.3 真空机械结构
• 4.2.4 信号处理系统
• 4.2.5 定标系统
• 4.3 小结
• 第五章 微卡计机械结构设计
• 5.1 制冷相关设计
• 5.1.1 总体结构设计
• 5.1.2 冷屏结构设计
• 5.1.3 ADR系统相关设计
• 5.2 真空相关设计
• 5.2.1 真空腔室设计
• 5.2.2 接口与阀门安排
• 5.3 信号相关设计
• 5.3.1 跨温区线缆连接设计
• 5.3.2 磁场屏蔽设计
• 5.4 小结
• 第六章 微卡计信号处理系统的研制
• 6.1 系统规划
• 6.2 微卡计信号处理控制逻辑设计
• 6.2.1 通道板控制模块
• 6.2.2 通道信号计时模块
• 6.2.3 EBeam信号计时模块
• 6.2.4 母板控制模块
• 6.2.5 传输板控制模块
• 6.2.6 NI通讯板控制模块
• 6.3 信号处理电路系统设计
• 6.3.1 通道板电路设计
• 6.3.2 母板电路设计
• 6.3.3 传输板及NI通讯板电路设计
• 6.3.4 机箱设计
• 6.4 信号处理系统PC端软件设计
• 6.4.1 数据包分析
• 6.4.2 控制交互平台设计
• 6.5 小结
• 总结与展望
• 发表论文及专利
• 参考文献
• 致谢