多丝正比室(Multi-wire Proportional Chamber, MWPC)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面积的探测器，且整套探测系统的造价较便宜。MWPC探测器已用于高能物理实验、X射线和γ射线的成像，在天文物理、固体物理、医学等领域都有广泛应用^[1-2]。目前中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source, CSNS)的三大散射谱仪正在建设中，其中的多功能反射谱仪(Multifunctional Reflectance Spectrometer)采用MWPC探测器作为它的中子探测器^[3-4]，研究样品界面和表面结构，如薄膜的结构信息以及粗糙表层界面等，主要用于新兴薄膜材料、聚合物以及生物薄膜的界面和表层等领域的研究。

位置分辨是探测器的一项重要指标，位置分辨的好坏是检验信号读出方法可行与否的关键。为了测量MWPC探测器的读出信号，现设计出多种读出方法，例如数字法(Digital Method)、重心法(Center of Gravity Method)等。数字法是每根MWPC探测器的丝信号数字化的读出方法，因每一根丝都要对应着独立的电子学来进行信号数字化的读出，导致工作量大，操作过程不易；而重心法是一种阴极感应信号读出方法，通过获得每个通道的电荷量来确定入射粒子位置，重心法不仅制作成本高，而且匹配的电子学系统复杂，同时需要精确地获取每个通道的电荷量。为此，本文介绍一种新型的信号读出方法——基于延迟块(Delay line)的二维读出方法。此方法在每个读出丝平面上只需两个读出通道，后端电子学的设计上只需5路信号（4路阴极信号和1路阳极信号），有结构简单、电子学通道数少、操作方便、成本低等优点^[5-6]。数字法和重心法的位置分辨主要由读出条宽度决定，导致效果较差，为几毫米。而延迟块读出法是将探测器各个读出条逐一通过固定延迟时间的延迟单元连接在一起，利用延迟单元，采用位置与时间差的转换方式，通过比较其他读出法的位置分辨显示它的优劣性。故先研制出一套200mm×200mm MWPC探测器样机，再尝试用延迟块读出法来获取入射粒子的位置，并分析探测器中一项重要指标——位置分辨，从而验证此方法用在MWPC探测器中的可行性。

本文也介绍了MWPC探测器与延迟块电子学系统进行联合测试的实验，实验采用一组5ns延迟块与200mm×200mm MWPC探测器相连接，X、Y方向各两路电子学通道，通过测量通道两端的延迟时间差转换为入射源在MWPC探测器当中产生信号的位置，从而确定放射源粒子入射MWPC探测器的二维坐标位置并分析出其位置分辨结果。

MWPC探测器的主体部分是一个多丝正比室，它是以有效面积为200mm×200mm的镀金钨丝框为单元来完成组装。其基本结构如图 1所示，在一组等间距的平行阳极丝平面上下各设置一个感应读出平面，分别命名为X、Y感应丝平面，X感应丝的取向与阳极丝平行，用来确定X方向的位置；Y感应丝的取向与阳极丝垂直，用来确定Y方向的位置。通过测量两感应丝平面上的信号产生位置来实现对粒子击中探测器的二维定位。

图 1

图 1 多丝正比室的结构示意图 Figure 1 Schematic diagram of 2-dimensional MWPC

阳极丝平面由彼此平行且直径为25μm的101根镀金钨丝拉制而成，两读出丝平面由彼此平行且直径为50μm的200根镀金钨丝拉制而成，阳极丝丝距s为2mm，读出丝丝距w为1mm，阳极丝平面到上下两个读出平面的距离d为4mm。实际的阳极、两个读出感应丝平面框架板的制作是由带焊盘表面覆有铜的印制电路板(Printed Circuit Board, PCB)板（称为丝框）制成，丝框架板设计的厚度都为2mm，边框宽度为300mm，有效宽度为200mm，每个焊盘为1mm宽度，且彼此焊盘的几何中心相距2mm，采用两列并排错位焊盘排布实现1mm丝间距布置，利用自制的拉丝平台制作而成的多丝正比室实物如图 2所示。

图 2

图 2 MWPC探测器内部照片 Figure 2 Photograph of the actual MWPC

入射粒子击中MWPC探测器后，与工作气体发生碰撞产生原初电离，原初电子在电场作用下，会在阳极丝附近发生雪崩现象，产生电离增殖。产生的雪崩电子被阳极吸收，产生的离子远离阳极，漂移到上下的感应丝平面上，感应出正脉冲信号。为了促进雪崩现象的发生并获得快信号，会将MWPC探测器设计在一个密封的特定气体环境下工作，一般采用具有电磁屏蔽作用的铝材料加工制成的容器来组装MWPC探测器。在容器盖上设计一个50μm厚、有效面积为200mm×200mm的Mylar薄膜组成的入射窗，Mylar薄膜主要具有密度小而且机械强度大的特性，可以起到封闭作用^[4]。容器盖板与其下板通过O型密封圈来达到气体密封的效果，容器内部采用流气式设计方法来实现在一种特定的气体环境下工作，所以在容器两侧设计有两个进、出气孔，通过连续充气排清探测器容器内的空气来不断充满工作气体。

制作好的MWPC丝框通过螺钉固定在铝盒上。阳极丝框加高压（利用SHQ124M高压电源加至2000V左右），上下两个感应丝框接地形成电场，雪崩后的带电粒子在电场中移动，得到感应信号输出。为了防止灰尘或杂质在高压下造成打火，所有的实验在洁净间进行，并在封盖前用酒精反复擦洗容器内部，实验前再充入工作气体至少3~4h。

延迟块读出法原理如图 3所示，从上下的感应丝平面上感应出的正脉冲信号，经过延迟块并向其两端传播。假设感应丝框上，第n丝线上传来脉冲信号，分别经过t₁、t₂到达延迟块上下两个端点，从而在两端形成电流脉冲，那么在传输过程中，形成的时间差与感应信号传来的位置有关，即也与α源粒子入射的位置相关。在感应丝框上插入的延迟块，设其固定的总延迟时间为T，每个延迟单元的延迟大小为τ，将其传输时间t₁/t₂进行延迟，从而避免了时间差$\Delta t = {t_1}-{t_2}$在进行相减时出现负值，导致位置无法测量。假设感应丝框上的丝共有N根，故需要的延迟单元数量为N-1，总延迟时间$T = \left( {N-1} \right) \cdot \tau $。当第n丝线上有信号输出时，传到延迟块上端时间为${t_1} = \left( {N-n} \right) \cdot \tau + T$，传到下端时间为${t_2} = \left( {n-1} \right) \cdot \tau $。则两端信号到达时间差为：

图 3

图 3 延迟块读出法原理示意图 Figure 3 Principle of the delay module readout

则得到一个关系为：$n-1 = \left( {1-\frac{{\Delta t}}{{2T}}} \right) \cdot \left( {N-1} \right)$，进而得到第n丝在感应丝框上的对应位置。根据第n丝的位置x_n与感应丝框的丝间距w的关系：${x_n} = \left( {n-1} \right) \cdot w$，从而得到时间差Δt与位置x_n的关系为：${x_n} = \left( {1-\frac{{\Delta t}}{{2T}}} \right) \cdot \left( {N-1} \right) \cdot w$。其中：$0 \le \Delta t \le T$；$1 \le n \le N$。

当α粒子击中第n根丝时，附近的几根丝上也会感应出正脉冲信号，会随着丝与击中位置之间的距离增大而变小，在读出端上最后获得的信号是经过延迟后的叠加效果，因此总信号是一个具有峰值的脉冲信号。根据峰值出现的时间以及时间差与位置的关系，可以推算出α源入射的精确位置。

在后端的读出电子学设计方面，其核心是如何测量探测器感应丝信号经过延迟块后，延迟块两端信号的相对时间差，这里涉及到两个关键技术：定时和时间测量。所谓的定时是为了确定信号的起始和结束时刻，这直接决定着延迟块时间差测量的准确性。阳极丝信号作为触发时间t₀，测量延迟块两端信号的达到时间t₁、t₂，即可确定一次事例中信号传输的时间差；时间测量需解决两个问题，阳极丝信号作为触发，感应丝阴极平面给出感应信号后，由定时甄别电路确定阴极信号出现时间t₁/t₂，定时甄别电路的甄别功能由自制的恒比定时甄别器完成，然后用低电压差分信号(Low Voltage Differential Signaling, LVDS)的前沿，给出定时信息。定时信号再转换成时间数字信号，被用于基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)的高精度时间数字转换器(Time to Digital Converter, TDC)技术的时间测量，其时间分辨能力已达到纳秒量级^[5]。将延迟块的信号时间t₁/t₂与触发时间t₀相减，即可得到同一事例，延迟块两端信号到达的相对时间，两者做比较，可以得到其时间差，进而确定位置。

在电路的设计上，1路阳极信号用来触发，4路阴极信号用来测试和比较。先用自制的前端放大器电路，采用非线性的饱和放大方法^[6]，以提高定时精度，同时基本保持探测器输出的正脉冲信号波形形状；再用自制的定时甄别器电路对信号进行甄别，将触发时间t₀和阴极信号出现时间信息(t₁，t₂)提取出来，以数字脉冲信号形式出现，经电平转换器转换为LVDS，再输入到基于通用FPGA芯片的TDC技术，完成精密的时间差测量，采用“粗细”结合的时间测量方法，得到所需要的位置信息数据。最后采用通用串行总线(Universal Serial Bus, USB)或用千兆网卡来实现网络接口方式采集时间数字数据，再将读取的数据保存在计算机上。后端的读出电子学设计如图 4所示。

图 4

图 4 后端的读出电子学设计示意图 Figure 4 Schematic diagram of the back-end readout electronics

设计的延迟块采用5个相同的延迟单元，每个延迟单元又由相同的电感L和电容C组成，每个节点上的瞬时阻抗R也相等，如图 5所示。

图 5

图 5 延迟块结构示意图 Figure 5 Sketch map of delay module structure

感应丝平面信号的读出需要设计一个与延迟块进行相连接的连接器，这样保证感应信号通过该连接器进入延迟块时损失最小，同时保证可以方便地更换延迟块。接触连接器使用的是德国ERNI公司的SMC系列68路1.27mm节距（两行）直角连接器^[4]。当进行MWPC探测器与延迟块的联合测试时，探测器的工作气体为Ar/CO₂ (90/10)混合气体。采用的信号源是²⁴¹Am能量约5MeV的α源，经过1mm的小孔准直后，分别摆放在左下角、中间、右上角三个位置上，见图 6。

图 6

图 6 α源位置的摆放分布 (a)左下角，(b)中间，(c)右上角 Figure 6 Photographs of the alpha sources location distribution (a) Lower left corner, (b) Middle position, (c) Top right corner

根据不同位置，选定各自对应的筛选范围，运用root软件处理数据后，得到α源在左下角、中间、右上角3个不同位置测得的信号各自在X与Y方向上的延迟时间分布^[7-8]，拟合情况分别见图 7、8、9。

图 7

图 7 左下角的X (a)、Y(b)方向延迟时间分布 Figure 7 Delay time distribution in X (a), Y(b) direction of the lower left corner

图 8

图 8 中间的X (a)、Y(b)方向延迟时间分布 Figure 8 Delay time distribution in X(a), Y(b) direction of the middle position

图 9

图 9 右上角的X (a)、Y(b)方向延迟时间分布 Figure 9 Delay time distribution in X(a), Y(b) direction of the top right corner

图 7-9的横坐标是时间，纵坐标是转换为时间差的数字信号经过延迟后，对应各个位置的正脉冲信号叠加累积计数。叠加累积计数越多，则此处收集的正脉冲信号越多，是由于雪崩增殖，产生大量的电子-离子对而引起的。经拟合之后，可以从分布图明显地看到3个位置的不同方向上的峰值，表明在此处感应到大量的正脉冲信号，即是雪崩发生的位置^[9]。因α源粒子是经过1mm的小孔准直后入射到探测器上，即雪崩发生的位置对应着粒子的入射位置。

将图 7-9中3个位置上不同方向的分布图转换成此位置的二维坐标时间图，在每个位置上对正脉冲信号积累计数，从两个一维坐标方向变成二维坐标方向，从而锁定信号累积集中的位置。根据时间差与入射位置的对应关系，这3个二维集中的位置便是α源的摆放位置。图 10显示了有计数情况的三维坐标时间图，底面的横纵坐标分别是对应X、Y坐标时间轴。可以看到在3个位置上，对采集的正脉冲信号，经延迟后的一种计数逐渐累积叠加效果，说明此处对应的便是α源摆放位置。

图 10

图 10 3个位置的三维时间坐标示意图 Figure 10 Schematic diagram of 3D time coordinates of three positions

探测器的丝长度为20cm，整个延迟模块对应的时间差范围为(-278.27ns, 277.54ns)。根据电荷在延迟模块上的传播速度是一定的^[10-12]，利用延迟时间与位置的比例关系可估算位置分辨为：σ值/ (278.27ns+277.54ns)×20cm。每个方向上的大概位置分辨率如表 1所示。

表 1

表 1 位置分辨率 Table 1 Position resolution α源的位置 Location of the α sources 方向 Direction 位置分辨率 Position resolution / cm 左下角 Lower left corner X 0.20 Y 0.16 中间 Middle position X 0.20 Y 0.12 右上角 Top right corner X 0.20 Y 0.20

表 1 位置分辨率 Table 1 Position resolution

从图 7-9延迟时间分布中，可以看到3个位置的不同方向上的峰值，说明每个位置的X、Y方向上都感应到信号，反映研制的探测器设计合理，成功探测到入射粒子。从图 10三维时间坐标中能看到3个二维坐标上的计数叠加后形成的效果，说明有3个位置的α源放出的α粒子被MWPC探测器成功探测，被后端读出电子学系统成功获取，以及研制的MWPC探测器与后端电子学系统能正常运行。

从表 1中可以看出，α源放置在3个不同位置时，每个位置不同方向上的位置分辨率在2mm左右，甚至少于2mm，说明延迟块读出法与研制的MWPC探测器能完美匹配起来，与重心法、数字法相比，运用延迟块读出法，达到了更高精度（位置分辨均好于2mm）的位置测量。

本文首先以多丝正比室为设计单元研制了200mm×200mm MWPC探测器，再介绍一种新型信号读出方法——延迟块读出法，推算出时间差与入射位置的关系，对不同摆放位置α源的信号通过MWPC探测器与后端读出电子学系统联合调试进行读出，达到了位置分辨率均好于2mm的高精度成果，验证了延迟块读出法在大面积中子探测器位置测量中的可行性。这是结合延迟块读出的一种新型电子学联合尝试，为MWPC探测器的研制优化和延迟块读出法的运用提供了参考，也为后续的其他探测器与电子学联调提供了宝贵的经验。研究结果对推动新型探测器与电子学的匹配、新型信号读出法的研究，以及对我国自主知识产权的中子探测装置应用有重要的意义。