专利名称：一种基于fet开关阵列的平板实时成像气体探测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于FET开关阵列的平板实时成像气体探测器，属于辐射成像领域。
背景技术：
平板成像探测器以其灵敏面积大，成像速度快、满足实时成像要求，简单易用等优点， 在医学成像、工业无损检测、安检等方面都得到了广泛应用。但目前商用平板成像探测器都 采用固体探测介质，如闪烁晶体或半导体等材料，价格昂贵，且成像面积的大小也受到一定 的限制。
以GEM (Gas Electron Multiplier,气体电子倍增器)等为代表的微单元结构气体探测 器(MPGD， Micro Pattern Gas Detector)的出现为研制基于气体探测器的平板成像装置提 供了可能。这些微单元结构气体探测器的单元尺度最大值都在10(Vni左右，既有良好的位置 分辨率(能够达到30拜左右)，也有较高的计数率上限(可以达到1(T' mm，s '以上)。尤 其是基于GEM膜的探测器可以设计加工成许多不同形状和大小；探测器的高压电极与读出电 极相互独立，结构坚固；读出电极可以采用任意形状和排列；通过多层叠加，可以降低单层 的工作电压，使探测器既安全又具有较高增益，在成像领域有很好的应用前景。
但是GEM等微单元结构气体探测器的高成像分辨能力，需要相应的读出电子学系统配合 才能得以发挥。本发明就是利用FET (包括FET分立元件、FET裸芯、FETASIC及TFT)开关 阵列，控制采集探测器在读出盘(pad)上的电荷信号，实现实时成像，既能充分发挥MPGD 的空间分辨能力，又能大大减少所需的电子学通道数目，降低成本。
发明内容
本发明提供一种基于GEM和FET开关阵列读出方式的平板实时成像探测器，在保证空间 分辨率的同时，大大减少了读出电子学数目，降低了整体成本。
一种基于FET阵列的平板实时成像气体探测器，该探测器包括密闭气室(1)、漂移电极
(2)、 2 3层GEM膜(3)、读出PCB板(4)、读出电极pad阵列(5)、 FET阵列(12)、高压 输入(6)及高压分压电阻串(7)、数据获取系统(DAQ) (8)、数据处理及显示计算机(PC)
(9)。其中，漂移电极(2)、 2 3层GEM膜(3)、读出PCB板(4)、读出电极pad阵列(5)、 高压分压电阻串(7)都置于密闭气室(1)中。密闭气室(1)中最上方一层是漂移电极(2)， 加有高压输入(6)，以下是2 3层GEM膜(3)，以一定的间距层叠在读出PCB板(4)上。 漂移电极(2)、 2 3层GEM膜(3)的上、下表面通过高压分压电阻串(7)依此施加上不同 的负高压，单层GEM膜上下表面电位差根据不同的工作气体和增益可以为300 400伏。密闭 气室(1)中充满工作气体，并在密闭气室(1)的上方开有射线入射窗(10)，射线沿入射方 向(11)入射到探测器中由漂移电极(2)和第一层GEM组成的漂移区，并在此电离产生电子， 电子在电场的作用下，经过GEM的雪崩放大，收集到读出电极pad阵列(5)上，然后由FET 阵列(12)控制选择、顺序读出到数据获取系统DAQ (8)进行放大、数字化，并输入到数据 处理及显示计算机PC (9)中进行显示、处理。
FET开关阵列原理图如附图二所示，每个单元包括一个pad (14)、 一个FET开关(15) 和一个储存电容(16)。 pad (14)负责收集电荷，储存电容(16)用于储存电容，而FET开 关(15)负责控制积分时间和读出时间。同一列FET由一路栅极控制器(13)控制其导通和截 止，同一行FET共享一个开关积分运放(17)。工作过程密闭气室(1)、所有FET开关(15) 断开，pad (14)收集电子，积累在存储电容(16)上；漂移电极(2)达到预定的积分时间 后，第一列FET (15)开关导通，第一列各单元的储存电容(16)放电，电荷信息被读出；2 3层GEM膜(3)、第一列FET (15)开关断开，第二列FET开关(15)导通……以此顺序读出 各列pad上收集的电荷。
后续数据采集电路见附图三，包括开关积分前置放大器(17)、模数转换器ADC (18)、 数据缓存(19)、网络传输模块(20)、时序控制电路(21)、计算机(22)和数据获取软件(23)。 各行信号在FET开关阵列(12)的控制下，经过开关积分前置放大器(17)完成电荷 电压 转换、经模数转换器ADC (18)转换成数据信号并缓存在数据缓存(19)。然后经网络传输模 块(20)通过以太网传送到数据处理及显示计算机(9)中，由数据获取软件处理显示。整个 获取系统的时序由时序控制电路(21)控制，实现实时成像。
本发明利用FET开关阵列，控制采集探测器在读出盘(pad)上的电荷信号，实现实时成 像，既能充分保证空间分辨力，又大大减少所需的电子学通道数目，降低了成本。
图l是本发明的结构示意图。
图2是FET开关阵列结构示意图。
图3是平板实时成像探测器数据获取系统示意图。
具体实施例方式
下面结合
本发明。
参见附图l，图l是本发明的结构示意图。其中，l一密闭气室、2—漂移电极、3—GEM 膜、4 —读出PCB板、5 —读出电极pad阵列、12 — FET阵列、6—高压输入、7 —高压分压电 阻串、8 —数据获取系统(DAQ)、 9一数据处理及显示计算机(PC)。 一种基于FET阵列的平板 实时成像气体探测器，包括以下部件密闭气室(1)、漂移电极(2)、 2 3层GEM膜(3)、 读出PCB板(4)、读出电极pad阵列(5)、 FET阵列(12)、高压输入(6)及高压分压电阻 串(7)、数据获取系统DAQ (8)、数据处理及显示计算机PC (9)。其中密闭气室(1)为密闭 气室，内部充有工作气体。工作气体以氖、氩、氙等惰性气体为主，并加入二氧化碳、甲烷 等淬灭性气体。漂移电极(2)、 2 3层GEM膜(3)、读出PCB板(4)、读出电极pad阵列(5)、 高压分压电阻串(7)都置于密闭气室(1)中。最上方一层是漂移电极(2), —般为镀铝麦 勒(Mylar)膜，加有高压输入(6)高压。以下是2 3层加框的GEM膜(3)，框可以采用 G10板加工，通过调整框的厚度，并辅以垫块，将几层GEM膜以一定的间距层叠在读出PCB 板(4)上，间距一般为几个亳米。漂移电极(2)、 2 3层GEM膜(3)的上下表面通过高压 分压电阻串(7)依此施加上不同的负高压，电势的高低按漂移电极(2)、第一层GEM膜的上、 下表面、第二层GEM膜的上、下表面、第三层GEM膜的上、下表面(如采用三层GEM的话)、 读出电极pad阵列(5)的顺序逐渐升高，形成一个方向为由读出电极pad阵列(5)到漂移 电极(2)的电场。读出电极pad阵列(5)的电压一般为虚地。单层GEM膜上下表面电位差 根据不同的工作气体和增益可以为300 400伏。密闭气室(1)的上方开有射线入射窗(10)。
工作时，射线沿入射方向(11)通过射线入射窗(10)入射到探测器中由漂移电极(2) (2)和第一层GEM组成的漂移区，并在此电离产生电子，电子在电场的作用下，经过GEM的 雪崩放大，收集到读出电极pad阵列(5)上，然后由FET阵列(12)控制选择、顺序读出到 数据获取系统DAQ (8)进行放大、数字化，并输入到数据处理及显示计算机(9)中进行显 示、处理。
图2是FET开关阵列结构示意图。其中，13 —栅极控制器，14—读出pad， 15—FET开关， 16—存储电容，17 —开关积分运放。如图2所示，每个单元包括一个pad (14)、 一个FET开 关(15)和一个储存电容(16)。 pad (14)负责收集电荷，并储存电容于储存电容(16)，而 FET开关(15)负责控制积分时间和读出时间。同一列FET由一路栅极控制器(13)控制其导 通和截止，同一行FET共享一个开关积分运放(17)。工作过程A、所有FET (15)开关断 开，pad (14)收集电子，积累在存储电容(16)上；B、达到预定的积分时间后，第一列FET (15)开关导通，第一列各单元的储存电容(16)放电，电荷信息被读出；C、第一列FET (15) 开关断开，第二列FET开关(15)导通……以此顺序读出各列pad上收集的电荷。
图3是平板实时成像探测器数据获取系统示意图。其中，17 —开关积分前置放大器)、18 一模数转换器ADC、 19一数据缓存、20 —网络传输模块、21 —时序控制电路、22 —计算机和 23 —数据获取软件。平板实时成像探测器数据获取系统包括开关积分前置放大器(17)、模数 转换器ADC (18)、数据缓存(19)、网络传输模块(20)、时序控制电路(21)、计算机(22) 和数据获取软件(23)。各行信号在FET开关阵列(12)的控制下，经过(17)完成电荷一电 压转换、经(18)转换成数据信号并缓存在(19)。然后经(20)通过以太网传送到计算机(9) 中，由数据获取软件处理显示。整个获取系统的时序由时序控制电路(21)控制，每秒钟读 出25 30帧，实现实时成像。
本发明在保证空间分辨率的同时，大大减少了读出电子学数目，降低了整体成本。
权利要求
1、一种基于FET阵列的平板实时成像气体探测器，其特征在于，该探测器包括密闭气室(1)、漂移电极(2)、2～3层GEM膜(3)、读出PCB板(4)、读出电极pad阵列(5)、FET阵列(12)、高压输入(6)及高压分压电阻串(7)、数据获取系统(8)、数据处理及显示计算机(9)和射线入射窗(10)；漂移电极(2)、2～3层GEM膜(3)、读出PCB板(4)、读出电极pad阵列(5)、高压分压电阻串(7)都置于密闭气室(1)中；最上方一层是漂移电极(2)，加有高压输入(6)，以下是2～3层GEM膜(3)，2～3层GEM膜(3)层叠在读出PCB板(4)上；漂移电极(2)、2～3层GEM膜(3)的上、下表面通过高压分压电阻串(7)依此施加上不同的负高压；密闭气室(1)中充满工作气体；在密闭气室(1)的上方开有射线入射窗(10)，射线通过入射窗(10)沿入射方向(11)入射到探测器中由漂移电极(2)和第一层GEM组成的漂移区，并在此电离产生电子，电子经过GEM的雪崩放大，收集到读出电极pad阵列(5)上；读出电极pad阵列(5)与FET阵列(12)相连，由FET阵列(12)控制选择、顺序读出到数据获取系统DAQ(8)上；数据获取系统DAQ(8)与数据处理及显示计算机(9)相连。
2、 根据权利要求1所述的一种基于FET阵列的平板实时成像气体探测器，其特征在于， 所述工作气体以氖、氩、氙惰性气体为主，并加入二氧化碳、甲烷淬灭性气体。
3、 根据权利要求1所述的一种基于FET阵列的平板实时成像气体探测器，其特征在于， 所述漂移电极(2)为镀铝麦勒(Mylar)膜。
4、 根据权利要求1所述的一种基于FET阵列的平板实时成像气体探测器，其特征在于， 所述2 3层GEM膜(3)单层GEM膜上下表面电位差为300 400伏。
5、 根据权利要求1所述的一种基于FET阵列的平板实时成像气体探测器，其特征在于， 所述FET开关阵列每个单元包括一个pad (14)、 一个FET开关(15)和一个储存电容(16);pad (14)负责收集电荷，储存电容(16)用于储存电容，而FET开关(15)负责控制积 分时间和读出时间；同一列FET由一路栅极控制器(13)控制其导通和截止，同一行FET共享一个开关积分运 放(17)。
6、 根据权利要求1所述的一种基于FET阵列的平板实时成像气体探测器，其特征在于， 所述数据获取系统(8)包括开关积分前置放大器(17)、模数转换器ADC (18)、数据缓存(19)、 网络传输模块(20)、时序控制电路(21)和计算机(22);各行信号在所述FET开关阵列(12)的控制下，经过开关积分前置放大器(17)完成电 荷一电压转换连接到模数转换器ADC (18)，经模数转换器ADC (18)转换成数据信号并缓存 在数据缓存(19)中；然后经网络传输模块(20)通过以太网传送到数据处理及显示计算机 (9)中进行处理显示；整个数据获取系统(8)的时序由吋序控制电路(21)控制。
7、根据权利要求6所述的一种基于FET阵列的平板实时成像气体探测器，其特征在于， 所述数据获取系统(8)每秒钟读出25 30帧。
全文摘要
一种基于FET开关阵列的平板实时成像气体探测器，属于辐射成像领域。该探测器包括密闭气室(1)、漂移电极(2)、GEM膜(3)、FET阵列(12)、数据获取系统(8)等。漂移电极(2)、GEM膜(3)等都置于密闭气室(1)中；漂移电极(2)、GEM膜(3)的上、下表面通过高压分压电阻串(7)依此施加负高压；单层GEM膜上下表面电位差为300～400伏。射线经漂移区电离，产生的电子经GEM雪崩放大，由读出电极pad阵列(5)收集；FET阵列(12)控制选择、顺序读出到数据获取系统(8)上传给数据处理及显示计算机(9)。本发明利用FET开关阵列实现实时成像，大大减少所需的电子学通道数目，降低了成本。
文档编号G01T1/00GK101349656SQ20081011491
公开日2009年1月21日 申请日期2008年6月13日 优先权日2008年6月13日
发明者李元景, 李玉兰, 程建平, 郑晓翠 申请人:清华大学