適用于電子倍增器件的電荷靈敏放大器的設計

張斌婷，閆保軍，劉術林，溫凱樂，王玉漫,3，谷建雨,4，姚文靜,5

適用于電子倍增器件的電荷靈敏放大器的設計

張斌婷1,2，閆保軍1,2，劉術林1,2，溫凱樂1，王玉漫1,3，谷建雨1,4，姚文靜1,5

（1. 中國科學院高能物理研究所 核探測與核電子學國家重點實驗室，北京 100049；2. 中國科學院大學 物理科學學院，北京 100049；3. 南京大學 物理學院，江蘇 南京 210093；4. 廣西大學 物理科學與工程技術學院，廣西 南寧 530004；5. 河南大學 物理與電子學院，河南 開封 475001）

介紹了一種自主研制的新型電荷靈敏型三級放大器，其電路設計主要采用ADA4817高速低噪聲集成運算放大芯片，該三級放大器噪聲低、穩定性好、電路結構簡單、性價比高、檢修更換方便，可以不失真地放大上升時間在ns級的信號，放大器輸出信號質量優異，可配合后續的多道分析器MCA8000D讀取微通道板（microchannel plate，MCP）組件或單通道電子倍增器（single-channel electron multiplier，CEM）的單光電子譜，測試結果表明：自主設計的ADA4817型放大器在一定的方波標定脈沖信號下，其基線的寬度小于2mV，上升沿時間約為800ns，幅值約為40mV，性能接近或略優于A250型放大器，可以更好地配合后續的多道分析器MCA8000D進行輸出波形的分析和處理，完全滿足MCP或CEM探測器的脈沖性能測試需求。

電子倍增器；脈沖計數；單光電子譜；電荷靈敏放大器

0 引言

在單光子計數或成像探測器以及需要單離子檢測儀器中，特別是檢測通過各種技術手段轉化來的極其微弱的電子或離子信號時，多數采用各種型號和規格的電子倍增器，包括分離式打拿極型電子倍增器（典型的是ETP ion detect系列產品）和單通道電子倍增器（channel electron multiplier，CEM），如對響應時間要求更高，則采用微通道板（microchannel plate，以下簡稱MCP）組件（2～3塊MCP）來檢測上述事例（電子或離子），為了精準地檢測這些事例，往往在倍增器件之后，串聯一個電荷靈敏放大器，把放大的電荷信號轉換成電壓信號并進一步放大，隨后再進行處理，故此，電荷靈敏放大器是檢測極其微弱的電子或離子信號不可或缺的部件。

作為倍增上述事例的CEM或MCP組件，它們都采用鉛硅酸鹽玻璃經Ｈ2還原處理的通道或通道陣列作為基底，該通道內壁往往具有較高的二次電子發射系數[1-2]，在電場的作用下，使進入通道內的電子（或離子轉換后的電子）碰撞通道內壁，持續實現電子雪崩放大。因此，CEM或MCP及其構成的組件可以探測電子、X射線、γ射線和帶電離子的特性，其廣泛應用于微光像增強器、光電倍增管、飛行時間質譜儀、核輻射和空間粒子探測器等設備中，極大地促進了軍事、生物、醫學和粒子物理等領域技術的發展[3-4]。

當CEM或MCP組件的輸入信號十分微弱時，即假定其輸入的是單電子或單離子信號，因為電子在通道內壁隨機碰撞和倍增，其輸出的陽極信號電荷量具有一定的漲幅起落，會形成脈沖高度分布（pulse height distribution，PHD），也可以稱之為輸出電荷譜[5]。盡管單電子或單離子信號經過上述倍增器件增強后有所放大，但仍屬于極其微弱的電荷信號，轉換成電壓信號，其幅度大約為幾到幾十毫伏，脈沖寬度也在十幾納秒量級，上升及下降沿小于幾個納秒，直接測量對電子學性能要求較高。通常，要讀取其輸出波形且計算相應參數時，需要配合一定的后端電子學放大處理波形，從而進行數據的采集及后續分析處理，目前國內采用的后端電子學一般為從國外進口的基于A250型或其它芯片為核心設計的放大器，價格昂貴，購買受限，或者由各個有需求的實驗室自主研制放大器，配合實驗的測試需求，但專門針對測試電子倍增器件脈沖性能的則較少。因此，本文以測試CEM或MCP組件的脈沖性能實驗為前提，設計了一種可以有效讀取陽極脈沖信號的放大器。

1 放大器的設計與模擬

1.1 原理圖與電路板設計

電荷靈敏前置放大器[6-8]屬于積分型放大器，其輸出信號的幅度正比于輸入電流對時間的積分，即輸出信號的幅度正比于輸入信號的總電荷量。電荷靈敏前置放大器的基本原理如圖1所示，其中，為耦合電容，d為探測器偏置電阻，f為反饋電容，與之并聯的f為反饋電阻。為了保證f上電荷的正常積累，一般選取f為MW～GW量級，f主要用來泄放掉f上的電荷以及產生直流負反饋以穩定放大器的直流工作點，電荷靈敏前置放大器的輸出電壓幅值一般由所積累的電荷量和反饋電容決定。

圖1 電荷靈敏放大電路圖

盡管電荷靈敏前置放大器的噪聲很低，后端的輸出信號依然存在著噪聲和干擾，因此需要后續的放大器來繼續處理波形，且由于本文采集信號的多道分析器處理脈沖的尋峰時間上升沿有固定要求，本文又引入了濾波電路和整形電路，形成了有三級輸出的電路圖，使其最終的輸出信號可以滿足多道分析器的要求，可供后續的PC端讀取。與此同時，在電荷靈敏前置放大器后增加了一級“極-零”相消電路，使其輸出信號的后沿有所改善，隨后的兩極電路對信號再進行濾波整形和幅度放大。考慮到信號接入、放大波形的讀出、芯片供電、電源濾波和阻抗匹配等問題，特設計如圖2所示的放大器的電路原理和印刷電路板，其中test端（T）串聯了一個固定容值的刻度電容，由信號發生器輸入一個已知的階躍脈沖，如方波，可以進行放大器的刻度標定，signal端（S）為輸入信號端，陽極輸出的脈沖信號經三級電路的放大整形后由output端（O）輸出，繼續接入后端的多道分析器及PC端進行數據采集、分析和處理。

圖2 三級輸出電路原理

1.2 軟件模擬

LTspice[9]是美國ANALOG DEVICES公司開發的一款高性能SPICE仿真軟件，能夠實現電路圖捕獲和波形觀測器、集成增強功能和模型、簡化了模擬電路的仿真，通常適用于大多數ADI開關穩壓器、放大器以及用于通用電路仿真的器件庫。LTspice具有專為提升現有多內核處理器的利用率而設計的多線程求解器，同時內置了新型SPARSE矩陣求解器，這種求解器采用匯編語言，旨在接近現用FPU（浮點處理單元）的理論浮點計算限值，即相比于其它的仿真軟件，LTspice不僅功能強大，且電路仿真速度也更加迅速，耗時更短。

本文即采用LTspice軟件開展對放大器的預先仿真，由于軟件自帶的模型不能滿足需求，本文所使用的放大器芯片模型從其供應商處下載，后導入LTspice軟件中配合之前設計好的三級放大電路完成仿真，圖3所示為LTspice軟件中的三級放大電路示意圖。因仿真軟件提供電源為理想電源，故省略了實際電路中的濾波部分，其中，通過調整相對應電路部分中的電阻和電容的數值，可以有效改變三級放大電路最終輸出波形的上升沿、下降沿和幅值放大倍數等關鍵參數。

2 結果與比較

2.1 實驗設計

在本次實驗進行之前，我們對實際的電路板進行了焊接與測試。考慮到實際電路板中有電容、電阻及輸入輸出轉換接口的引入，會有熱噪聲等一系列系統誤差，在相同的幅度、周期和占空比的脈沖信號下，使用LTspice軟件模擬得出的結果，與使用信號發生器產生方波信號，經實際電路板三級放大之后，連接至示波器觀察到的結果相比較，其幅值、上升沿和放大倍數等參數符合得較為一致，如圖4、5所示。

圖3 三級放大電路模擬原理

圖4 模擬結果

圖5 測試結果

考慮到如何更好地評價新設計的電荷靈敏放大器的性能，我們采用如圖6（a緊貼型，b間隙兩電極型，c間隙三電極型，d間隙加壓型）所示MCP組件[10]，由于其不僅可以有效地抑制離子反饋，且增益較高（其中，b、c、d結構的增益可以達到106甚至更高），因此可以用來探測極其微弱的單電子或單離子信號。另外，我們也采用如圖7所示的CEM作為放大器的微弱信號源。

圖6 MCP裝配圖

圖7 CEM實物

將MCP組件或CEM作為電荷靈敏放大器的信號源，實驗研究是在本實驗室內的微通道板實驗與測試平臺上進行，MCP組件或CEM、陽極、電子學連接以及隨后的放大器等實現單光子或離子檢測的裝置[11]如圖8所示。MCP組件或CEM經裝配固定后送入測試的腔室內，其供電電極、陰極和陽極分別經腔室外部的轉接電極連接至高壓電源，每路高壓均可單獨進行調節。信號發生器產生脈沖電壓，激發紫外燈發射光子，光子經過腔室與外界連接的石英窗口，可以照射至測試工位下方的透射金陰極上，由此產生光電子，光電子在電場的作用下繼續運動，經MCP組件或CEM之后得到進一步的倍增，再由陽極拾取電荷。本文調節脈沖電壓的幅度，使單個脈沖光激發金陰極產生的光電子的概率約為10%，可以認為此光強輸入下的輸出脈沖電荷譜為單電子譜[12]。

圖8 單光電子譜測試原理

光電子由信號發生器激發的深紫外發光二極管產生，經金陰極和第一片MCP（或CEM）輸入面之間的電場加速運動，入射至MCP的某一通道內，可碰撞產生二次電子進行連續倍增，再從通道末端輸出大量電子，繼續在電場的作用下做擴散運動，進入第二片MCP內參與倍增，最終輸出的脈沖信號由陽極接收，經腔室外接電極連接至示波器觀察波形，也可接入放大電路，如圖9為經放大電路之后示波器上觀察到的波形，再連接至多道分析器讀取其脈沖高度分布圖，以便于后期的數據采集，處理和分析。

圖9 經放大器后的累積波形

2.2 參數比較

為了評價本文所做的ADA4817電荷靈敏型放大器的性能，我們將它與美國Ampetk公司生產的A250芯片與A275混合構成的電荷靈敏三級放大器[13]分別進行測試，且配合MCA8000D讀取其刻度條件下的脈沖高度分布，通過擬合計算其每一道所對應的電荷量，以便于后續的增益計算。因其test端所設置的刻度電容的數值與整體電路的具體設計不同，兩個放大器三級輸出后的脈沖波形略有差異，表1為相同的輸入信號下，輸出波形的部分參數的對比結果。

在本實驗室測試條件下，我們選取了CEM進行測試，在相同的實驗條件，即單光電子狀態下，分別使用兩種放大器來對陽極輸出的脈沖信號進行放大整形，再配合后續的多道分析器MCA8000D讀取其輸出的脈沖高度分布圖。探測器工作電壓為1900 V時，使用兩種放大器，配合多道分析器MCA8000D得到的脈沖高度分布如圖10所示，可以看出，ADA4817所讀取到的脈沖高度分布的基線更窄更干凈，且無多余的基線前方的噪聲信號，有利于后續的數據分析處理。

表1 放大器參數對比結果

圖10 脈沖高度分布對比圖

另外，本實驗亦采用直接從示波器讀取一定時間內的陽極輸出信號，進行一系列的數據分析，得出如圖11所示的輸出信號電荷譜，通過擬合得出其在單光子狀態下積累的電荷量，利用公式計算得到CEM的增益，將其作為有效準確的評判標準，進而與先前所使用的兩款放大器的測試結果進行分析比較。

通過由放大器配合多道分析器MCA8000D所得到的脈沖高度分布圖，擬合得出其基線和單光電子譜的位置，計算出CEM的增益。為了比較兩種放大器的測試結果，本文以輸出信號電荷譜得出的增益作為標準，分別對兩種放大器由脈沖高度分布圖得出的增益做歸一化處理，其CEM增益隨電壓變化曲線如圖12所示，可以看出其測試結果相似，即本文所研制的ADA4817電荷靈敏放大器可以替代A250電荷靈敏放大器使用，能有效精準地測試CEM（或MCP組件）在脈沖狀態下的性能參數，對其應用于各類探測器中提供科學完備的技術指標，避免放大器損壞維修時出現“卡脖子”問題。

圖11 輸出信號電荷譜

圖12 CEM增益隨電壓變化圖

本文所研制的放大器噪聲低、結構簡單、穩定性好，其性能接近于進口A250電荷靈敏型放大器，同時其制作過程簡單，性價比高，輸出信號上升沿更為平緩，與后續的多道分析器結合時，讀取到的陽極輸出信號的脈沖高度分布圖基線更為干凈，有利于之后的數據分析。

3 結論

本文基于電荷靈敏前置放大器的基本原理，選取了可以滿足MCP組件或CEM探測器測試需求的運放芯片ADA4817，設計了具有三級輸出的放大電路，通過前期的原理圖設計、電路參數的仿真和調試、印刷電路板的設計、實際電路板的焊接與測試，最終實現了項目需求，即在微弱輸入信號下對上述探測器輸出的脈沖信號進行幅值放大和濾波整形，進而接入后端的多道分析器實現數據的采集、處理和分析，最終實現了探測器的單光電子譜測量，計算出CEM（或MCP）探測器的關鍵參數，如在脈沖計數狀態下的增益等，實現對探測器性能進行分析評價，使其可以更好地應用在微弱信號測量、質譜儀器研制等領域中。

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Design of Charge-Sensitive Amplifiers for Electron Multipliers

ZHANG Binting1,2，YAN Baojun1,2，LIU Shulin1,2，WEN Kaile1，WANG Yuman1,3，GU Jianyu1,4，YAO Wenjing1,5

(1.,,100049,; 2.,,100049,; 3.,,210093,; 4.,,530004,; 5.,,475001,)

A new type of charge-sensitive three-stage amplifier was developed. The circuit design mainly adopted anADA4817 high-speed and low-noise integrated operational amplifier chip. The three-stage amplifier had low noise, good stability, a simple circuit structure, high cost performance, and ease of maintenance. It could amplify signals with rise time in nanoseconds without distortion, and the output signal quality of the amplifier was excellent. It was used with a multi-channel analyzer MCA8000D to read a single photoelectron spectrum of a microchannel plate (MCP) assembly or a single channel electron multiplier (CEM). The test results show that the custom-made amplifier fully satisfied the pulse performance test requirements of MCP or CEM detectors, and its technical indicators were close to those of imported A250 amplifiers.

electron multiplier, pulse count, single electron spectrum, charge sensitive amplifier

O4

A

1001-8891(2022)08-0792-06

2021-07-05；

2021-08-10.

張斌婷（1996-），女，博士研究生，粒子物理與原子核物理。E-mail:zhangbt@ihep.ac.cn。

閆保軍（1985-），男，博士，副研究員，主要從事電子倍增器探測技術方面的研究。E-mail: yanbj@ihep.ac.cn。

國家自然科學基金面上項目（11675278，11975017），國家自然科學基金重點項目（11535014），核探測與核電子學國家重點實驗室資助項目（SKLPDE-ZZ-202015，SKLPDE-ZZ-202102）。