高精度正电子谱仪脉冲调制系统设计

慢正电子束技术已经成为凝聚态物理、化学和材料科学研究的主要工具[1]。实验物理学家们研究出了低能脉冲调制正电子束技术[2]进行慢正电子寿命测量,提高了系统的时间分辨和信噪比。采用低能脉冲调制正电子束技术的正电子谱仪,使用斩波器在时间尺度上进行“筛选”,将连续的正电子束分割成一定频率的正电子脉冲;使用集束腔对经“筛选”后的正电子束进一步“聚焦”,得到所需要的窄正电子脉冲。中国科学技术大学的核固体物理实验室根据低能脉冲调制正电子束技术设计一套正电子谱仪装置,其脉冲调制采用了斩波器(Chopper)、预集束腔(Pre-Buncher)和主集束腔(Main-Buncher)的结构。图1为正电子谱仪脉冲调制系统结构示意图。

为了使慢正电子束流经过三路信号的调制,最终在样品处得到宽度为150~200ps的正电子脉冲,就需要一套能够产生三路高精度脉冲调制信号的电子学系统,来实现对慢正电子束的“筛选”和“聚焦”。本文给出了高精度脉冲调制系统的设计及各项指标的测试结果。

1　高精度正电子谱仪脉冲调制系统指标

为了最终在样品处得到宽度为150~200ps的正电子脉冲,三路调制信号的波形和相位关系都要达到以下给出的波形和相位关系指标。

1·1　波形指标

斩波器信号为脉冲信号,频率50MHz,上升时间和下降时间小于2ns,宽度约为7ns,幅度大于5V;预集束腔信号为正弦信号,频率50MHz,幅度大于2V;主集束腔信号为正弦信号,频率200MHz,幅度大于2V。

1·2　相位关系指标

为了对不同能量的正电子进行实验,系统要求相位关系能够精确可调。对于要进行实验的三种能量值:绝对相位差(理论值)ΔT1(T1-T0)为2.53ns、2.36ns或2.26ns、ΔT(T2-T0)为0.59ns、0.24ns或-1.31ns;相位差调整步长为ΔT±50ps;相位差晃动ΔTjitter(FWHM)小于60ps。

图2为三路脉冲调制信号的波形和相位关系示意图。

2　高精度正电子谱仪脉冲调制系统的研制

2·1　设计方案

由于是要产生连续的脉冲和正弦信号,所以设计的主要思路是通过对时钟信号进行相应变换得到所需要的三路信号。本方案利用FP-GA中的PLL对低频时钟进行倍频得到高频时钟,选用的FPGA是Altera公司的EP1C3T144芯片。图3为方案结构示意图。

2·2　设计要点

首先,为了实现三路信号的相位同步及占空比调整,方案中选用了ADI公司的AD9510时钟分频/分配芯片,并选用差分信号输出;其次,为了实现各路信号的精确相位调节,方案中选用了ON Semi公司的MC100EP195,其理论调节步长为10ps;再次,为了实现快边沿大幅度的第一路脉冲信号,方案中采用了对