基于延迟线的二维读出多丝正比室电路

孟祥厅 李东仓 杨 磊 洪鹏飞 付廷岩 祁 中

（兰州大学 核科学与技术学院 兰州 73000）

多丝正比室(MWPC)具有空间定位精度高、时间和能量分辨性能好，可以连续、灵敏地长期运行，可制作成各种形状和大面积的探测器，且整套探测系统的造价较便宜。MWPC已用于高能物理实验、X射线和g射线的成像，在天文物理、固体物理、生物学、医疗学等领域都有广泛应用[1,2]。多丝正比室有多种读出方法，其中最基本的方法是把每根丝视为分立探测器[3]，则需大量的读出电路与多丝正比室相连，还需多路高速的数据获取系统。本文介绍一种基于延迟线的二维读出电路，一个二维成像探测器采用两组延迟线与多丝正比室相连接，只需四路电子学(x，y方向各两路)，测量延迟线两端延迟时间差就可确定射线进入室中产生的信号位置。这种延迟线结构简单、体积小、制作方便、成本低。

1 延迟线工作原理

延迟线的读出方法是将射线在多丝正比室中产生的雪崩信号的位置转化为时间信息输出，测量到达延迟线两端的脉冲的时间差，可确定雪崩产生的位置[4]。此法优点是结构简单，有一定的定位精度及技术特性。如图1，两根延迟线互相垂直，平放于两个阳极丝平面。每个延迟单元有一个信号输入端，相当于延迟线与多丝正比室的阳极丝相连。粒子入射时在两根延迟线上产生感应信号，延迟线末端所收集的信号延迟一段时间，两延迟线的延迟时间差Dtx、Dty与入射粒子的x、y位置坐标相对应。

图1 多丝正比室与延迟线的连接Fig.1 Connection between multi-wire proportional chamber and delay-line.

根据传输线原理，传输线将信号从一端传输到另一端，传输线的两条导线，一条为信号路径，另一条为返回路径。理想传输线有两个特征：恒定的瞬态阻抗和相应的时延。信号在传输线上传播时，实际传播的是从信号路径到返回路径的电流回路。从此意义上，所有信号电流流经一个回路电感，此回路电感由信号路径节和返回路径节构成。对于传输线上的信号传播，信号路径和返回路径的局部电感并不重要，只有回路电感才是重要的。把信号路径和返回路径导线的每一小节描述成回路电感，就可进一步近似物理传输线[5]。如图2，每两个电容就被一个小回路电感隔开。图中C为两导线间的电容，L为两小节之间的回路电感，R为匹配阻抗。

延迟线电路即基于上述理论，用高精度的贴片电感和电容制成具有N个延迟单元的延迟线，以取代多丝正比室与前置放大器间的传输线。每个延迟单位的电感和电容均相同，这样信号沿延迟线传播时，在每个节点上都受到恒定的瞬态阻抗。与理想分布传输线元件的瞬态阻抗一样，此瞬态阻抗在数值上与传输线的特性阻抗相等。同理，信号进入延迟线到信号输出会有一个有限的延迟。用延迟线取代传输线既能节省实验空间，也能实现信号从多丝正比室中输出到前置放大器之间延迟时间的可控。

延迟线设计的主要参数是延迟单元的延迟时间TD，延迟线的截止频率w0和延迟线的匹配阻抗Z0[6]。

根据传输线原理，信号在LC延迟线上传播时，延迟线的特性阻抗为

其中L、C分别是延迟单元的电感和电容。信号经过延迟单元的延迟时间：

总的延迟时间和延迟线的截止频率为：

为使延迟线与其他仪器相匹配，减少信号在延迟线与仪器间传播时的反射，提高信号质量，我们选取延迟线的特性阻抗为50 W，延迟线的延迟单元为50个，每个延迟单元延迟时间为1 ns。把它们代入式(1)和(3)，可得延迟单元的电感和电容元件的值。

2 延迟线的模拟仿真和实验结果

根据延迟线的参数计算，用Multisim仿真软件设计了由77个延迟单元组成的延迟线，其中L=50 nH，C=20 pF，截止频率w0=1 GHz，延迟线的匹配阻抗Z0=50 W。并用该软件对此77单元的延迟线进行仿真。给延迟线一个5 V脉冲信号，宽度为20 ns，上升和下降时间都为10 ns幅度，并使它从延迟线的第11个单元进入，测得脉冲未进入延迟线时的波形和从延迟线末端输出的波形见图3(a)。其中1为输入脉冲信号，2为延迟线右端输出信号，可见从延迟线输出的信号反射很小。图3(b)为脉冲信号从延迟线的第11个延迟单元进入，测得的延迟线两端输出信号波形，左端波形为第1个延迟单元输出，右端波形为末端延迟单元输出，两波形的延迟时间差为54.930 ns。

由图3，选择合适的延迟线参数及匹配阻抗，信号的衰减及反射都很小，波形延迟也非常明显，在延迟线两端可精确测量两波形的延迟时间差，每个延迟单元的延迟时间可精确到1 ns左右。

图3 延迟线模拟测量结果Fig.3 Simulation test results of delay-line.

根据模拟仿真的结果，制成由50个延迟单元组成的延迟线电路板。从延迟线每一个延迟单元依次输入同一脉冲信号，测量在同一频率下延迟单元与延迟时间差的关系(图4)。

图4 延迟时间差与延迟单元的线性关系Fig.4 The linear relationship between delay time difference and delay unit.

图5 不同频率和幅度时延迟线的延迟时间差Fig.5 Delay time difference of delay-line at different frequency and difference amplitude.

对各项参数的线性拟合表明，延迟单元和延迟时间差有良好线性关系。延迟线每个单元的延迟时间是1.19 ns，比计算值多0.19 ns。在不同频率和不同幅度下，测量某一延迟单元进入延迟线的脉冲信号在延迟线两端的延迟时间差，分别见图5(a)和(b)。

图6 实际测量延迟线两端信号Fig.6 The measured signals at both ends of the delay-line.

由图5，脉冲信号的在延迟线两端的延迟时间差基本不随脉冲信号的频率和幅度而变化，延迟线具有很好的稳定性。从延迟线某一延迟单元送入脉冲信号，用示波器测得的脉冲信号见图6(a)左端波形，延迟线终端测得的波形见图6(a)右端波形，可见波形的衰减很小。图6(b)是信号从延迟线某延迟单元进入，从延迟线两端测得的波形，可清楚读出延迟线两端测得信号延迟时间差。

3 结语

用延迟线法连接多丝正比室和前置放大器，可准确读出延迟线两端的延迟时间差，从而确定多丝正比室中入射粒子的位置。此方法结构简单，成本低，根据不同的实验要求可制成具有不同数量延迟单元的延迟线。采用合适的LC参数及匹配阻抗R构成的延迟线，对输入信号的衰减及反射非常小。从模拟及实际测量的结果来看，通过延迟线的方法对多丝正比室的定位测量和二维成像是可行的。

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, 吴国栋, 江立人, 等. 延迟线读出两维多丝正比室成像装置[J]. 核技术, 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探测器延迟线读出方法的模拟研究[J],核电子学与探测技术, 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 谢一纲, 陈昌, 王曼等, 编著. 粒子探测器与数据处理[M]. 北京: 科学出版社, 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, 李丽平, 等译. 信号完整性分析[M]. 北京: 电子工业出版社, 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