适用于电子倍增器件的电荷灵敏放大器的设计

张斌婷，闫保军，刘术林，温凯乐，王玉漫,3，谷建雨,4，姚文静,5

适用于电子倍增器件的电荷灵敏放大器的设计

张斌婷1,2，闫保军1,2，刘术林1,2，温凯乐1，王玉漫1,3，谷建雨1,4，姚文静1,5

（1. 中国科学院高能物理研究所 核探测与核电子学国家重点实验室，北京 100049；2. 中国科学院大学 物理科学学院，北京 100049；3. 南京大学 物理学院，江苏 南京 210093；4. 广西大学 物理科学与工程技术学院，广西 南宁 530004；5. 河南大学 物理与电子学院，河南 开封 475001）

介绍了一种自主研制的新型电荷灵敏型三级放大器，其电路设计主要采用ADA4817高速低噪声集成运算放大芯片，该三级放大器噪声低、稳定性好、电路结构简单、性价比高、检修更换方便，可以不失真地放大上升时间在ns级的信号，放大器输出信号质量优异，可配合后续的多道分析器MCA8000D读取微通道板（microchannel plate，MCP）组件或单通道电子倍增器（single-channel electron multiplier，CEM）的单光电子谱，测试结果表明：自主设计的ADA4817型放大器在一定的方波标定脉冲信号下，其基线的宽度小于2mV，上升沿时间约为800ns，幅值约为40mV，性能接近或略优于A250型放大器，可以更好地配合后续的多道分析器MCA8000D进行输出波形的分析和处理，完全满足MCP或CEM探测器的脉冲性能测试需求。

电子倍增器；脉冲计数；单光电子谱；电荷灵敏放大器

0 引言

在单光子计数或成像探测器以及需要单离子检测仪器中，特别是检测通过各种技术手段转化来的极其微弱的电子或离子信号时，多数采用各种型号和规格的电子倍增器，包括分离式打拿极型电子倍增器（典型的是ETP ion detect系列产品）和单通道电子倍增器（channel electron multiplier，CEM），如对响应时间要求更高，则采用微通道板（microchannel plate，以下简称MCP）组件（2～3块MCP）来检测上述事例（电子或离子），为了精准地检测这些事例，往往在倍增器件之后，串联一个电荷灵敏放大器，把放大的电荷信号转换成电压信号并进一步放大，随后再进行处理，故此，电荷灵敏放大器是检测极其微弱的电子或离子信号不可或缺的部件。

作为倍增上述事例的CEM或MCP组件，它们都采用铅硅酸盐玻璃经Ｈ2还原处理的通道或通道阵列作为基底，该通道内壁往往具有较高的二次电子发射系数[1-2]，在电场的作用下，使进入通道内的电子（或离子转换后的电子）碰撞通道内壁，持续实现电子雪崩放大。因此，CEM或MCP及其构成的组件可以探测电子、X射线、γ射线和带电离子的特性，其广泛应用于微光像增强器、光电倍增管、飞行时间质谱仪、核辐射和空间粒子探测器等设备中，极大地促进了军事、生物、医学和粒子物理等领域技术的发展[3-4]。

当CEM或MCP组件的输入信号十分微弱时，即假定其输入的是单电子或单离子信号，因为电子在通道内壁随机碰撞和倍增，其输出的阳极信号电荷量具有一定的涨幅起落，会形成脉冲高度分布（pulse height distribution，PHD），也可以称之为输出电荷谱[5]。尽管单电子或单离子信号经过上述倍增器件增强后有所放大，但仍属于极其微弱的电荷信号，转换成电压信号，其幅度大约为几到几十毫伏，脉冲宽度也在十几纳秒量级，上升及下降沿小于几个纳秒，直接测量对电子学性能要求较高。通常，要读取其输出波形且计算相应参数时，需要配合一定的后端电子学放大处理波形，从而进行数据的采集及后续分析处理，目前国内采用的后端电子学一般为从国外进口的基于A250型或其它芯片为核心设计的放大器，价格昂贵，购买受限，或者由各个有需求的实验室自主研制放大器，配合实验的测试需求，但专门针对测试电子倍增器件脉冲性能的则较少。因此，本文以测试CEM或MCP组件的脉冲性能实验为前提，设计了一种可以有效读取阳极脉冲信号的放大器。

1 放大器的设计与模拟

1.1 原理图与电路板设计

电荷灵敏前置放大器[6-8]属于积分型放大器，其输出信号的幅度正比于输入电流对时间的积分，即输出信号的幅度正比于输入信号的总电荷量。电荷灵敏前置放大器的基本原理如图1所示，其中，为耦合电容，d为探测器偏置电阻，f为反馈电容，与之并联的f为反馈电阻。为了保证f上电荷的正常积累，一般选取f为MW～GW量级，f主要用来泄放掉f上的电荷以及产生直流负反馈以稳定放大器的直流工作点，电荷灵敏前置放大器的输出电压幅值一般由所积累的电荷量和反馈电容决定。

图1 电荷灵敏放大电路图

尽管电荷灵敏前置放大器的噪声很低，后端的输出信号依然存在着噪声和干扰，因此需要后续的放大器来继续处理波形，且由于本文采集信号的多道分析器处理脉冲的寻峰时间上升沿有固定要求，本文又引入了滤波电路和整形电路，形成了有三级输出的电路图，使其最终的输出信号可以满足多道分析器的要求，可供后续的PC端读取。与此同时，在电荷灵敏前置放大器后增加了一级“极-零”相消电路，使其输出信号的后沿有所改善，随后的两极电路对信号再进行滤波整形和幅度放大。考虑到信号接入、放大波形的读出、芯片供电、电源滤波和阻抗匹配等问题，特设计如图2所示的放大器的电路原理和印刷电路板，其中test端（T）串联了一个固定容值的刻度电容，由信号发生器输入一个已知的阶跃脉冲，如方波，可以进行放大器的刻度标定，signal端（S）为输入信号端，阳极输出的脉冲信号经三级电路的放大整形后由output端（O）输出，继续接入后端的多道分析器及PC端进行数据采集、分析和处理。

图2 三级输出电路原理

1.2 软件模拟

LTspice[9]是美国ANALOG DEVICES公司开发的一款高性能SPICE仿真软件，能够实现电路图捕获和波形观测器、集成增强功能和模型、简化了模拟电路的仿真，通常适用于大多数ADI开关稳压器、放大器以及用于通用电路仿真的器件库。LTspice具有专为提升现有多内核处理器的利用率而设计的多线程求解器，同时内置了新型SPARSE矩阵求解器，这种求解器采用汇编语言，旨在接近现用FPU（浮点处理单元）的理论浮点计算限值，即相比于其它的仿真软件，LTspice不仅功能强大，且电路仿真速度也更加迅速，耗时更短。

本文即采用LTspice软件开展对放大器的预先仿真，由于软件自带的模型不能满足需求，本文所使用的放大器芯片模型从其供应商处下载，后导入LTspice软件中配合之前设计好的三级放大电路完成仿真，图3所示为LTspice软件中的三级放大电路示意图。因仿真软件提供电源为理想电源，故省略了实际电路中的滤波部分，其中，通过调整相对应电路部分中的电阻和电容的数值，可以有效改变三级放大电路最终输出波形的上升沿、下降沿和幅值放大倍数等关键参数。

2 结果与比较

2.1 实验设计

在本次实验进行之前，我们对实际的电路板进行了焊接与测试。考虑到实际电路板中有电容、电阻及输入输出转换接口的引入，会有热噪声等一系列系统误差，在相同的幅度、周期和占空比的脉冲信号下，使用LTspice软件模拟得出的结果，与使用信号发生器产生方波信号，经实际电路板三级放大之后，连接至示波器观察到的结果相比较，其幅值、上升沿和放大倍数等参数符合得较为一致，如图4、5所示。

图3 三级放大电路模拟原理

图4 模拟结果

图5 测试结果

考虑到如何更好地评价新设计的电荷灵敏放大器的性能，我们采用如图6（a紧贴型，b间隙两电极型，c间隙三电极型，d间隙加压型）所示MCP组件[10]，由于其不仅可以有效地抑制离子反馈，且增益较高（其中，b、c、d结构的增益可以达到106甚至更高），因此可以用来探测极其微弱的单电子或单离子信号。另外，我们也采用如图7所示的CEM作为放大器的微弱信号源。

图6 MCP装配图

图7 CEM实物

将MCP组件或CEM作为电荷灵敏放大器的信号源，实验研究是在本实验室内的微通道板实验与测试平台上进行，MCP组件或CEM、阳极、电子学连接以及随后的放大器等实现单光子或离子检测的装置[11]如图8所示。MCP组件或CEM经装配固定后送入测试的腔室内，其供电电极、阴极和阳极分别经腔室外部的转接电极连接至高压电源，每路高压均可单独进行调节。信号发生器产生脉冲电压，激发紫外灯发射光子，光子经过腔室与外界连接的石英窗口，可以照射至测试工位下方的透射金阴极上，由此产生光电子，光电子在电场的作用下继续运动，经MCP组件或CEM之后得到进一步的倍增，再由阳极拾取电荷。本文调节脉冲电压的幅度，使单个脉冲光激发金阴极产生的光电子的概率约为10%，可以认为此光强输入下的输出脉冲电荷谱为单电子谱[12]。

图8 单光电子谱测试原理

光电子由信号发生器激发的深紫外发光二极管产生，经金阴极和第一片MCP（或CEM）输入面之间的电场加速运动，入射至MCP的某一通道内，可碰撞产生二次电子进行连续倍增，再从通道末端输出大量电子，继续在电场的作用下做扩散运动，进入第二片MCP内参与倍增，最终输出的脉冲信号由阳极接收，经腔室外接电极连接至示波器观察波形，也可接入放大电路，如图9为经放大电路之后示波器上观察到的波形，再连接至多道分析器读取其脉冲高度分布图，以便于后期的数据采集，处理和分析。

图9 经放大器后的累积波形

2.2 参数比较

为了评价本文所做的ADA4817电荷灵敏型放大器的性能，我们将它与美国Ampetk公司生产的A250芯片与A275混合构成的电荷灵敏三级放大器[13]分别进行测试，且配合MCA8000D读取其刻度条件下的脉冲高度分布，通过拟合计算其每一道所对应的电荷量，以便于后续的增益计算。因其test端所设置的刻度电容的数值与整体电路的具体设计不同，两个放大器三级输出后的脉冲波形略有差异，表1为相同的输入信号下，输出波形的部分参数的对比结果。

在本实验室测试条件下，我们选取了CEM进行测试，在相同的实验条件，即单光电子状态下，分别使用两种放大器来对阳极输出的脉冲信号进行放大整形，再配合后续的多道分析器MCA8000D读取其输出的脉冲高度分布图。探测器工作电压为1900 V时，使用两种放大器，配合多道分析器MCA8000D得到的脉冲高度分布如图10所示，可以看出，ADA4817所读取到的脉冲高度分布的基线更窄更干净，且无多余的基线前方的噪声信号，有利于后续的数据分析处理。

表1 放大器参数对比结果

图10 脉冲高度分布对比图

另外，本实验亦采用直接从示波器读取一定时间内的阳极输出信号，进行一系列的数据分析，得出如图11所示的输出信号电荷谱，通过拟合得出其在单光子状态下积累的电荷量，利用公式计算得到CEM的增益，将其作为有效准确的评判标准，进而与先前所使用的两款放大器的测试结果进行分析比较。

通过由放大器配合多道分析器MCA8000D所得到的脉冲高度分布图，拟合得出其基线和单光电子谱的位置，计算出CEM的增益。为了比较两种放大器的测试结果，本文以输出信号电荷谱得出的增益作为标准，分别对两种放大器由脉冲高度分布图得出的增益做归一化处理，其CEM增益随电压变化曲线如图12所示，可以看出其测试结果相似，即本文所研制的ADA4817电荷灵敏放大器可以替代A250电荷灵敏放大器使用，能有效精准地测试CEM（或MCP组件）在脉冲状态下的性能参数，对其应用于各类探测器中提供科学完备的技术指标，避免放大器损坏维修时出现“卡脖子”问题。

图11 输出信号电荷谱

图12 CEM增益随电压变化图

本文所研制的放大器噪声低、结构简单、稳定性好，其性能接近于进口A250电荷灵敏型放大器，同时其制作过程简单，性价比高，输出信号上升沿更为平缓，与后续的多道分析器结合时，读取到的阳极输出信号的脉冲高度分布图基线更为干净，有利于之后的数据分析。

3 结论

本文基于电荷灵敏前置放大器的基本原理，选取了可以满足MCP组件或CEM探测器测试需求的运放芯片ADA4817，设计了具有三级输出的放大电路，通过前期的原理图设计、电路参数的仿真和调试、印刷电路板的设计、实际电路板的焊接与测试，最终实现了项目需求，即在微弱输入信号下对上述探测器输出的脉冲信号进行幅值放大和滤波整形，进而接入后端的多道分析器实现数据的采集、处理和分析，最终实现了探测器的单光电子谱测量，计算出CEM（或MCP）探测器的关键参数，如在脉冲计数状态下的增益等，实现对探测器性能进行分析评价，使其可以更好地应用在微弱信号测量、质谱仪器研制等领域中。

[1] Oswald H W Siegmund. High-performance microchannel plate detectors for UV/visible astronomy[J]., 2004, 525(1): 12-16.

[2] Fraseer G W, Pearson J E, Lees J E, et al. Advances in microchannel plate detectors[C]//, 1988, 982: 98-107.

[3] HONG R, Leredde A, Bagdasarova Y, et al. High accuracy position response calibration method for a micro-channel plate ion detector[J]., A, 2016, 835: 42-50.

[4] 张洋, 黄永刚, 刘辉, 等. 阳极氧化铝微通道板研究的进展[J]. 红外技术, 2012, 34(7): 427-432.

ZHANG Yang, HUANG Yonggang, LIU Hui, et al. Progress in anodic aluminum oxide microchannel plates[J]., 2012, 34(7): 427-432.

[5] 高峰, 钱森, 宁哲, 等.光电探测器件的单光电子谱数据获取[J]. 核技术, 2019, 42(10):55-62.

GAO Feng, QIAN Sen, NING Zhen, et al. Data acquisition system for single photoelectron spectra of photoelectric detector[J]., 2019, 42(10): 55-62.

[6] 高晋占. 微弱信号检测[M]. 北京: 清华大学出版社, 2004: 41-92.

GAO Jinzhan.[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2004: 41-92.

[7] 王英芝. 核电子学技术原理[M]. 北京: 原子能出版社, 1989.

WANG Yingzhi.[M]. Beijing: Atomic Energy Press, 1989.

[8] 王经瑾, 范天民, 钱永庚. 核电子学[M]. 北京: 原子能出版社, 1985: 103-134.

WANG Jingjin, FAN Tianmin, QIAN Yonggeng.[M]. Beijing: Atomic Energy Press, 1985: 103-134.

[9] ANALOG DEVICES. LTspice. DESIGN CENRER[EB/OL]. https://www.analog.com/en/design-center/design-tools-and-calculators/l tspice-simulator.html.

[10] YANG Yuzhen, LIU Shulin, ZHAO Tianchi, et al. Single electron counting using a dual MCP assembly[J]., 2016, 830: 438-443.

[11] YANG Yuzhen, YAN Baojun, LIU Shulin, et al. MCP performance improvement using alumina thin film[J]., 2017, 868: 43-47.

[12] 杨玉真. 基于JUNO中MCP-PMT的微通道板组件研究与性能优化[D]. 南京: 南京大学, 2017.

YANG Yuzhen. Research and Performance Optimization of Microchannel Board Components Based on MCP-PMT in JUNO[D]. Nanjing: Nanjing University, 2017: 52-54.

[13] AMPTEK. Charge Sensitive Preamplifiers(A250&A275). [EB/OL].https://www.amptek.com/internal-products/a250-charge-sensitive-pre- amplifier.

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.

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

闫保军（1985-），男，博士，副研究员，主要从事电子倍增器探测技术方面的研究。E-mail: yanbj@ihep.ac.cn。

国家自然科学基金面上项目（11675278，11975017），国家自然科学基金重点项目（11535014），核探测与核电子学国家重点实验室资助项目（SKLPDE-ZZ-202015，SKLPDE-ZZ-202102）。