基于延遲線的二維讀出多絲正比室電路

孟祥廳 李東倉(cāng) 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(shí)間和能量分辨性能好，可以連續(xù)、靈敏地長(zhǎng)期運(yùn)行，可制作成各種形狀和大面積的探測(cè)器，且整套探測(cè)系統(tǒng)的造價(jià)較便宜。MWPC已用于高能物理實(shí)驗(yàn)、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(cè)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(gè)二維成像探測(cè)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(cè)量延遲線兩端延遲時(shí)間差就可確定射線進(jìn)入室中產(chǎn)生的信號(hào)位置。這種延遲線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(hào)的位置轉(zhuǎn)化為時(shí)間信息輸出，測(cè)量到達(dá)延遲線兩端的脈沖的時(shí)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(jiǎn)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(gè)陽(yáng)極絲平面。每個(gè)延遲單元有一個(gè)信號(hào)輸入端，相當(dāng)于延遲線與多絲正比室的陽(yáng)極絲相連。粒子入射時(shí)在兩根延遲線上產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)，延遲線末端所收集的信號(hào)延遲一段時(shí)間，兩延遲線的延遲時(shí)間差Dtx、Dty與入射粒子的x、y位置坐標(biāo)相對(duì)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(hào)從一端傳輸?shù)搅硪欢耍瑐鬏斁€的兩條導(dǎo)線，一條為信號(hào)路徑，另一條為返回路徑。理想傳輸線有兩個(gè)特征：恒定的瞬態(tài)阻抗和相應(yīng)的時(shí)延。信號(hào)在傳輸線上傳播時(shí)，實(shí)際傳播的是從信號(hào)路徑到返回路徑的電流回路。從此意義上，所有信號(hào)電流流經(jīng)一個(gè)回路電感，此回路電感由信號(hào)路徑節(jié)和返回路徑節(jié)構(gòu)成。對(duì)于傳輸線上的信號(hào)傳播，信號(hào)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(hào)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?jī)蓚€(gè)電容就被一個(gè)小回路電感隔開(kāi)。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(gè)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(gè)延遲單位的電感和電容均相同，這樣信號(hào)沿延遲線傳播時(shí)，在每個(gè)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(hào)進(jìn)入延遲線到信號(hào)輸出會(huì)有一個(gè)有限的延遲。用延遲線取代傳輸線既能節(jié)省實(shí)驗(yàn)空間，也能實(shí)現(xiàn)信號(hào)從多絲正比室中輸出到前置放大器之間延遲時(shí)間的可控。

延遲線設(shè)計(jì)的主要參數(shù)是延遲單元的延遲時(shí)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(hào)在LC延遲線上傳播時(shí)，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(hào)經(jīng)過(guò)延遲單元的延遲時(shí)間：

總的延遲時(shí)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(hào)在延遲線與儀器間傳播時(shí)的反射，提高信號(hào)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(gè)，每個(gè)延遲單元延遲時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)延遲線的參數(shù)計(jì)算，用Multisim仿真軟件設(shè)計(jì)了由77個(gè)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(duì)此77單元的延遲線進(jìn)行仿真。給延遲線一個(gè)5 V脈沖信號(hào)，寬度為20 ns，上升和下降時(shí)間都為10 ns幅度，并使它從延遲線的第11個(gè)單元進(jìn)入，測(cè)得脈沖未進(jìn)入延遲線時(shí)的波形和從延遲線末端輸出的波形見(jiàn)圖3(a)。其中1為輸入脈沖信號(hào)，2為延遲線右端輸出信號(hào)，可見(jiàn)從延遲線輸出的信號(hào)反射很小。圖3(b)為脈沖信號(hào)從延遲線的第11個(gè)延遲單元進(jìn)入，測(cè)得的延遲線兩端輸出信號(hào)波形，左端波形為第1個(gè)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(shí)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(hào)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(cè)量?jī)刹ㄐ蔚难舆t時(shí)間差，每個(gè)延遲單元的延遲時(shí)間可精確到1 ns左右。

圖3 延遲線模擬測(cè)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(gè)延遲單元組成的延遲線電路板。從延遲線每一個(gè)延遲單元依次輸入同一脈沖信號(hào)，測(cè)量在同一頻率下延遲單元與延遲時(shí)間差的關(guān)系(圖4)。

圖4 延遲時(shí)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(shí)延遲線的延遲時(shí)間差Fig.5 Delay time difference of delay-line at different frequency and difference amplitude.

對(duì)各項(xiàng)參數(shù)的線性擬合表明，延遲單元和延遲時(shí)間差有良好線性關(guān)系。延遲線每個(gè)單元的延遲時(shí)間是1.19 ns，比計(jì)算值多0.19 ns。在不同頻率和不同幅度下，測(cè)量某一延遲單元進(jìn)入延遲線的脈沖信號(hào)在延遲線兩端的延遲時(shí)間差，分別見(jiàn)圖5(a)和(b)。

圖6 實(shí)際測(cè)量延遲線兩端信號(hào)Fig.6 The measured signals at both ends of the delay-line.

由圖5，脈沖信號(hào)的在延遲線兩端的延遲時(shí)間差基本不隨脈沖信號(hào)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(hào)，用示波器測(cè)得的脈沖信號(hào)見(jiàn)圖6(a)左端波形，延遲線終端測(cè)得的波形見(jiàn)圖6(a)右端波形，可見(jiàn)波形的衰減很小。圖6(b)是信號(hào)從延遲線某延遲單元進(jìn)入，從延遲線兩端測(cè)得的波形，可清楚讀出延遲線兩端測(cè)得信號(hào)延遲時(shí)間差。

3 結(jié)語(yǔ)

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(shí)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(jiǎn)單，成本低，根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)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(duì)輸入信號(hào)的衰減及反射非常小。從模擬及實(shí)際測(cè)量的結(jié)果來(lái)看，通過(guò)延遲線的方法對(duì)多絲正比室的定位測(cè)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(guó)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(cè)器延遲線讀出方法的模擬研究[J],核電子學(xué)與探測(cè)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(cè)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(hào)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