一种基于Si-APD的X射线单光子探测电路设计

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1、第37卷第1期航天返回与遥感2016年2月SPACECRAFTRECOVERY&REMOTESENSING55一种基于Si．APD的X射线单光子探测电路设计董龙1傅丹膺2龚志鹏1(1北京空间机电研究所，北京100094)(2中国空间技术研究院，北京100094)摘要x射线单光子探测电路是将入射x射线单光子转换成电信号，进而测量入射光子到达时间和能谱特性的电路，是x射线脉冲星导航的关键技术之一。文章通过分析x射线脉冲星的辐射特性提出了一种基于硅．雪崩光电二极管(Si—APD)的探测电路，Si．APD探测器通过外置

2、偏置高压对入射x射线单光子电离出来的电子进行雪崩放大，偏置电压随着温度的变化自动调节，保证Si—APD增益的稳定性。雪崩抑制电路的作用是对探测器进行复位以探测下一个x射线单光子，文章给出了雪崩抑制电路的工作原理和设计方法，并进一步讨论了在单光子探测应用条件下的前置放大电路和主放大电路设计，合理设计电荷灵敏前置放大器是实现电流电压转换、高增益、低噪声和高时间精度的关键技术，整形带通主放大器作为Si—APD的放大电路，设计合适的带宽和增益可以提高系统信噪比、稳定性、时间分辨率和能谱测量精度。该电路相比于正比计数器、

3、硅漂移探测电路等，具有体积质量较小、可靠性高、造价低廉等优点，可实现高速、高信噪比的x射线单光子探测电路设计。关键词雪崩光电二极管x射线单光子探测电路设计脉冲星导航中图分类号：TN202文献标志码：A文章编号：1009．8518(2016)01—0055—08DOI：10．3969／j．issn．1009-8518．2016．01．007DesignoftheX-·raySinglePhotonDetectionCircuitBasedonSi--APDDONGLon91FUDanyin92GONGZhipen

4、91(1BeijingInstituteofSpaceMechanics&Electricity,Beijing100094，China)(2ChinaAcademyofSpaceTechnology,Beijing100094，China)AbstractX—rayphotonscanbeconvertedintoelectronsbyacircuitofX—raysinglephotondetection．SOthatthearrivaltimeandtheenergyspectrumofthephoton

5、saremeasured．ThiskindofcircuitisoneofthekeytechniquesofX-raypulsar-basednavigation．AfteranalyzingtheradiationcharacteristicofX—rayPulsar,ade—tectioncircuitusingSi—APDisdesigned，inwhichtheSi-APDdetectorprovideselectronsfromavalancheio—nizationcausedbythesingl

6、eincidentX-rayphoton．Thedetectoriscontrolledbyexternaloffsethigh-voltage．TheautomaticregulationofthebiasvoltagealongwiththetemperatureensuresthegainstabilityoftheSi—APDTheavalanchequenchingcircuitisdesignedaswelltoresetthedetectorforthenextdetection．Theopera

7、tingprincipleandthedesigningmethodareintroduced．Furthermore，thedesignofpreamplifierandmainamplifierinthecertainconditionsofsinglephotondetectionisdiscussed．AreasonabledesignofCharge-sousiltivepreamplifieristhekeypointtoimplementtheswitchfromvoltagetocurrent，

8、highgain，lownoiseandhightimeprecision．Properbandwithandgaindesignedoftheshapingband-passmain—amplifierarehelpfulinim-provingSNR，stability,timeresolutionandspectrummeasurementprecision．Comparedwi