基于延遲線的二維讀出多絲正比室電路

孟祥廳 李東倉 楊 磊 洪鵬飛 付廷巖 祁 中

（蘭州大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 蘭州 73000）

多絲正比室(MWPC)具有空間定位精度高、時間和能量分辨性能好，可以連續(xù)、靈敏地長期運(yùn)行，可制作成各種形狀和大面積的探測器，且整套探測系統(tǒng)的造價較便宜。MWPC已用于高能物理實驗、X射線和g射線的成像，在天文物理、固體物理、生物學(xué)、醫(yī)療學(xué)等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用[1,2]。多絲正比室有多種讀出方法，其中最基本的方法是把每根絲視為分立探測器[3]，則需大量的讀出電路與多絲正比室相連，還需多路高速的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)。本文介紹一種基于延遲線的二維讀出電路，一個二維成像探測器采用兩組延遲線與多絲正比室相連接，只需四路電子學(xué)(x，y方向各兩路)，測量延遲線兩端延遲時間差就可確定射線進(jìn)入室中產(chǎn)生的信號位置。這種延遲線結(jié)構(gòu)簡單、體積小、制作方便、成本低。

1 延遲線工作原理

延遲線的讀出方法是將射線在多絲正比室中產(chǎn)生的雪崩信號的位置轉(zhuǎn)化為時間信息輸出，測量到達(dá)延遲線兩端的脈沖的時間差，可確定雪崩產(chǎn)生的位置[4]。此法優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，有一定的定位精度及技術(shù)特性。如圖1，兩根延遲線互相垂直，平放于兩個陽極絲平面。每個延遲單元有一個信號輸入端，相當(dāng)于延遲線與多絲正比室的陽極絲相連。粒子入射時在兩根延遲線上產(chǎn)生感應(yīng)信號，延遲線末端所收集的信號延遲一段時間，兩延遲線的延遲時間差Dtx、Dty與入射粒子的x、y位置坐標(biāo)相對應(yīng)。

圖1 多絲正比室與延遲線的連接Fig.1 Connection between multi-wire proportional chamber and delay-line.

根據(jù)傳輸線原理，傳輸線將信號從一端傳輸?shù)搅硪欢耍瑐鬏斁€的兩條導(dǎo)線，一條為信號路徑，另一條為返回路徑。理想傳輸線有兩個特征：恒定的瞬態(tài)阻抗和相應(yīng)的時延。信號在傳輸線上傳播時，實際傳播的是從信號路徑到返回路徑的電流回路。從此意義上，所有信號電流流經(jīng)一個回路電感，此回路電感由信號路徑節(jié)和返回路徑節(jié)構(gòu)成。對于傳輸線上的信號傳播，信號路徑和返回路徑的局部電感并不重要，只有回路電感才是重要的。把信號路徑和返回路徑導(dǎo)線的每一小節(jié)描述成回路電感，就可進(jìn)一步近似物理傳輸線[5]。如圖2，每兩個電容就被一個小回路電感隔開。圖中C為兩導(dǎo)線間的電容，L為兩小節(jié)之間的回路電感，R為匹配阻抗。

延遲線電路即基于上述理論，用高精度的貼片電感和電容制成具有N個延遲單元的延遲線，以取代多絲正比室與前置放大器間的傳輸線。每個延遲單位的電感和電容均相同，這樣信號沿延遲線傳播時，在每個節(jié)點(diǎn)上都受到恒定的瞬態(tài)阻抗。與理想分布傳輸線元件的瞬態(tài)阻抗一樣，此瞬態(tài)阻抗在數(shù)值上與傳輸線的特性阻抗相等。同理，信號進(jìn)入延遲線到信號輸出會有一個有限的延遲。用延遲線取代傳輸線既能節(jié)省實驗空間，也能實現(xiàn)信號從多絲正比室中輸出到前置放大器之間延遲時間的可控。

延遲線設(shè)計的主要參數(shù)是延遲單元的延遲時間TD，延遲線的截止頻率w0和延遲線的匹配阻抗Z0[6]。

根據(jù)傳輸線原理，信號在LC延遲線上傳播時，延遲線的特性阻抗為

其中L、C分別是延遲單元的電感和電容。信號經(jīng)過延遲單元的延遲時間：

總的延遲時間和延遲線的截止頻率為：

為使延遲線與其他儀器相匹配，減少信號在延遲線與儀器間傳播時的反射，提高信號質(zhì)量，我們選取延遲線的特性阻抗為50 W，延遲線的延遲單元為50個，每個延遲單元延遲時間為1 ns。把它們代入式(1)和(3)，可得延遲單元的電感和電容元件的值。

2 延遲線的模擬仿真和實驗結(jié)果

根據(jù)延遲線的參數(shù)計算，用Multisim仿真軟件設(shè)計了由77個延遲單元組成的延遲線，其中L=50 nH，C=20 pF，截止頻率w0=1 GHz，延遲線的匹配阻抗Z0=50 W。并用該軟件對此77單元的延遲線進(jìn)行仿真。給延遲線一個5 V脈沖信號，寬度為20 ns，上升和下降時間都為10 ns幅度，并使它從延遲線的第11個單元進(jìn)入，測得脈沖未進(jìn)入延遲線時的波形和從延遲線末端輸出的波形見圖3(a)。其中1為輸入脈沖信號，2為延遲線右端輸出信號，可見從延遲線輸出的信號反射很小。圖3(b)為脈沖信號從延遲線的第11個延遲單元進(jìn)入，測得的延遲線兩端輸出信號波形，左端波形為第1個延遲單元輸出，右端波形為末端延遲單元輸出，兩波形的延遲時間差為54.930 ns。

由圖3，選擇合適的延遲線參數(shù)及匹配阻抗，信號的衰減及反射都很小，波形延遲也非常明顯，在延遲線兩端可精確測量兩波形的延遲時間差，每個延遲單元的延遲時間可精確到1 ns左右。

圖3 延遲線模擬測量結(jié)果Fig.3 Simulation test results of delay-line.

根據(jù)模擬仿真的結(jié)果，制成由50個延遲單元組成的延遲線電路板。從延遲線每一個延遲單元依次輸入同一脈沖信號，測量在同一頻率下延遲單元與延遲時間差的關(guān)系(圖4)。

圖4 延遲時間差與延遲單元的線性關(guān)系Fig.4 The linear relationship between delay time difference and delay unit.

圖5 不同頻率和幅度時延遲線的延遲時間差Fig.5 Delay time difference of delay-line at different frequency and difference amplitude.

對各項參數(shù)的線性擬合表明，延遲單元和延遲時間差有良好線性關(guān)系。延遲線每個單元的延遲時間是1.19 ns，比計算值多0.19 ns。在不同頻率和不同幅度下，測量某一延遲單元進(jìn)入延遲線的脈沖信號在延遲線兩端的延遲時間差，分別見圖5(a)和(b)。

圖6 實際測量延遲線兩端信號Fig.6 The measured signals at both ends of the delay-line.

由圖5，脈沖信號的在延遲線兩端的延遲時間差基本不隨脈沖信號的頻率和幅度而變化，延遲線具有很好的穩(wěn)定性。從延遲線某一延遲單元送入脈沖信號，用示波器測得的脈沖信號見圖6(a)左端波形，延遲線終端測得的波形見圖6(a)右端波形，可見波形的衰減很小。圖6(b)是信號從延遲線某延遲單元進(jìn)入，從延遲線兩端測得的波形，可清楚讀出延遲線兩端測得信號延遲時間差。

3 結(jié)語

用延遲線法連接多絲正比室和前置放大器，可準(zhǔn)確讀出延遲線兩端的延遲時間差，從而確定多絲正比室中入射粒子的位置。此方法結(jié)構(gòu)簡單，成本低，根據(jù)不同的實驗要求可制成具有不同數(shù)量延遲單元的延遲線。采用合適的LC參數(shù)及匹配阻抗R構(gòu)成的延遲線，對輸入信號的衰減及反射非常小。從模擬及實際測量的結(jié)果來看，通過延遲線的方法對多絲正比室的定位測量和二維成像是可行的。

1 HAN Liying, LI Qite, Faisal Q,et al. Study of a multi-wire proportional chamber with a cathode strip and delay-line readout[J], Chinese Physics C, 2009,33(5):364-368

2 王裕政, 吳國棟, 江立人, 等. 延遲線讀出兩維多絲正比室成像裝置[J]. 核技術(shù), 1985, 8(5):5-8 WANG Yuzheng, WU Guodong, JIANG Liren, et al. A two dimensional multi-wire proportional chamber imaging device with delay line readout[J], Nuclear Techniques, 1985, 8(5):5-8

3 周意，李澄. GEN探測器延遲線讀出方法的模擬研究[J],核電子學(xué)與探測技術(shù), 2008, 28(1): 174-176 ZHOU Yi, LI Cheng. Simulation of the delay line readout for GEM detectors[J]. Nuclear Electronics & Detection Technology, 2008, 28(1): 174-176

4 謝一綱, 陳昌, 王曼等, 編著. 粒子探測器與數(shù)據(jù)處理[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2004 XIE Yigang, CHENG Chang, WANG Man,et al.Particle detectors and data processing[M]. Beijing: National Defense Industrial Press, 2004

5 Eric Bogatin 著, 李玉山, 李麗平, 等譯. 信號完整性分析[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2006 Eric Bogatin Signal Integrity Simplified[M],Prentice Hall, 2003

6 ZHOU Yi, LI Cheng, SUN Yong-Jie,et al. An X-ray imaging device based on a GEN detector with delay-line readout[J]. Chinese Physics C, 34(1):78-82