【摘要】 電子自旋是電子的基本性質(zhì)之一,自旋電子學(xué)是以不同自旋取向的電子為對(duì)象,研究具有某一自旋狀態(tài)的電子運(yùn)輸特性的新興學(xué)科,是當(dāng)前凝聚態(tài)物理的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一。通過閃爍體加光電倍增管的方式能夠測(cè)量高能Mott散射電子,從而直接測(cè)量出電子自旋極化度和極化方向。本文以此為基礎(chǔ),采用電子自旋探測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)出基于電子自旋探測(cè)儀的電子學(xué)系統(tǒng)。論文首先分析了電子自旋探測(cè)器對(duì)電子學(xué)系統(tǒng)的具體要求,并結(jié)合工作環(huán)境和噪聲等因素,設(shè)計(jì)了工作在30KV高壓環(huán)境中的高電位信號(hào)處理單元和工作在低電位的控制顯示單元,兩個(gè)單元使用光電轉(zhuǎn)換進(jìn)行隔離和通信。高電位信號(hào)處理單元由高速高增益低噪聲的前置放大器、高速脈沖幅度甄別器、反符合電路和計(jì)數(shù)率可達(dá)20MHz的高速計(jì)數(shù)器組成,使用可充鋰電池供電。其中,前置放大器將100uA、20-30nS寬度的電流脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為1Vpp、30ns寬度的電壓脈沖信號(hào)；高速脈沖幅度甄別器的可調(diào)閾值為100mV-4.0V、響應(yīng)時(shí)間為2.5ns。低電位控制顯示單元主要功能是提供按鍵輸入、顯示實(shí)驗(yàn)條件、并且可以通過USB接口與PC機(jī)通信,使用標(biāo)準(zhǔn)2U機(jī)箱,滿足儀器設(shè)備規(guī)范。本文設(shè)計(jì)的電子自旋探測(cè)儀電子學(xué)系統(tǒng)已用于自旋分辨反光電子能譜實(shí)驗(yàn),系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,用戶界面良好,滿足設(shè)計(jì)需求。
 
【關(guān)鍵詞】 電子自旋； 前置放大器； 甄別器； 計(jì)數(shù)器；

第一章緒論

1.1電子自旋的基本概念
一般而言，微電子學(xué)主要是研究電子或離子在半導(dǎo)體材料中的輸運(yùn)規(guī)律及其應(yīng)用；在傳統(tǒng)的微電子學(xué)應(yīng)用中一般不考慮電子的自旋特性。但是隨著近年來(lái)納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體組件的尺寸已經(jīng)可以降到納米量級(jí)。這一改變使得許多宏觀特性不再適用，此時(shí)，關(guān)于微觀范疇的電子的自旋狀態(tài)的研究就顯得尤為重要。為了滿足新的電子器件的要求，以及通過利用電子自旋的量子性質(zhì)創(chuàng)新電子器件的功能，一門新興學(xué)利——自旋電子學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。自旋電子學(xué)的整體發(fā)展一方面依賴于理論方面的研究，主要包括對(duì)固體材料尤其是半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)、缺陷、自旋極化、以及自旋輸運(yùn)等相關(guān)性質(zhì)的深入研究。另一方面也依賴于發(fā)現(xiàn)新的材料和設(shè)計(jì)出全新結(jié)構(gòu)的電子器件和工藝的發(fā)展?fàn)顩r（只有在工藝的加工水平達(dá)到納米級(jí)別，自旋等量子性質(zhì)才有可能應(yīng)用于電子器件)�；�于自旋電子學(xué)的研究理念，我們將自旋自由度的概念也引入到半導(dǎo)體器件中，我們將這種新型半導(dǎo)體器件稱為自旋電子器件。傳統(tǒng)的電子器件是以電荷作為信息載體，用電荷的存在或消失來(lái)表征系統(tǒng)狀態(tài)；而自旋電子器件把電荷和自旋結(jié)合起來(lái)，作為信息的存儲(chǔ)和處理載體。這一概念的引入使得半導(dǎo)體器件的工作原理和結(jié)構(gòu)得以創(chuàng)新，也使得其功能與應(yīng)用空間得以進(jìn)一步的擴(kuò)寬。
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1.2電子自旋探測(cè)儀的研制意義
材料的電子結(jié)構(gòu)直接決定了材料的力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)和電輸運(yùn)等宏觀物理性質(zhì)，因而材料電子結(jié)構(gòu)研究成為凝聚態(tài)物理學(xué)研究的重要領(lǐng)域。而自旋作為電子結(jié)構(gòu)的一項(xiàng)重要參數(shù)，對(duì)材料性質(zhì)尤其是磁學(xué)性質(zhì)的影響有著舉足輕重的地位。例如材料中電子向上自旋和向下自旋的電子數(shù)量不等，就會(huì)出現(xiàn)自旋極化電子態(tài)；這種狀態(tài)的出現(xiàn)，就意味著材料具有了鐵磁性的宏觀特性。除此之外，凝聚態(tài)物理學(xué)研究表明，電子自旋相互作用在超導(dǎo)體，重費(fèi)米子等強(qiáng)關(guān)聯(lián)物理體系相變機(jī)制中具有極其重要的作用。通過對(duì)自旋分辨的能帶結(jié)構(gòu)研究可以得到電子間交換相互作用、自旋-軌道稱合、以及電荷、自旋、軌道以及晶格等多種關(guān)聯(lián)作用。因此確定電子的自旋狀態(tài)對(duì)于材料性質(zhì)的研究就顯得尤為重要。而關(guān)于電子自旋狀態(tài)的表征手段的研究就迫在眉睫。一種先進(jìn)的電子自旋表征技術(shù)對(duì)于凝聚態(tài)物理學(xué)和現(xiàn)代材料研究具有重要的科學(xué)和現(xiàn)實(shí)意義。近年來(lái)，最受關(guān)注的同時(shí)也被廣泛認(rèn)可的電子自旋探測(cè)儀是Mott電子自旋結(jié)構(gòu)探測(cè)器。下圖為當(dāng)前使用的Mott電子自旋探測(cè)器結(jié)構(gòu)。原理是采用MCP單電子檢出的方式直接測(cè)量減速背散射電子（如下圖1.2.1所示）。這種探測(cè)方式最高計(jì)數(shù)率IxlO6 CPS,工作不穩(wěn)定，并且內(nèi)部容易放電，容易受到干擾。在本項(xiàng)目的應(yīng)用中，要對(duì)高通量極化電子流的自旋極化進(jìn)行檢測(cè)。場(chǎng)發(fā)射極化電子槍的發(fā)射電流可達(dá)數(shù)百量級(jí)，如果直接用電子自旋探測(cè)器對(duì)其檢測(cè)，意味著每秒每個(gè)探測(cè)通道5少需檢測(cè)108個(gè)電子。當(dāng)前屯電子學(xué)和電子自旋探測(cè)器自身?xiàng)l件限制，不能檢測(cè)如此高通量的電子流。為了突破這個(gè)瓶頸，改善電子自旋探測(cè)器的性能，我們采用快速閃爍體進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換來(lái)測(cè)量發(fā)射電子流的極化度與極化方向。
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第二章探測(cè)儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1工作原理
當(dāng)入射電子束處于非自旋極化狀態(tài)即入射電子束中自旋方向取向上和向下的電子數(shù)目相同時(shí)，材料在宏觀表現(xiàn)上不具有鐵磁性。經(jīng)磁性材料散射作用以后，被散射的電子和二次電子會(huì)在不同散射方向上因?yàn)樽孕�取向�?shù)目不同而出現(xiàn)自旋極化的現(xiàn)象，即不同散射方向上自旋取向不同的電子數(shù)顯著不同[5]。如果能將不同方向的電子數(shù)目進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，就可以得到電子自旋的極化度和極化方向。探測(cè)電子的方法有很多種，原始的方法是釆用MCP (micro channel plate)單電子檢出的方式直接測(cè)量減速背散射電子。但是這種方式的計(jì)數(shù)率不夠，并且不抗干擾。由此我們提出了用高速閃爍體和光電倍增管檢測(cè)高能散射電子的檢測(cè)方式，具體的探測(cè)電子的方式如下。如閣2.1.1所示，我們采用高速閃爍體將自旋電子流轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，再用光電倍增管去探測(cè)高速閃爍體產(chǎn)生的光信號(hào)，最后輸出電流脈沖信號(hào)。電子學(xué)系統(tǒng)對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行I-V變換，放大、觀別和計(jì)數(shù)，這樣就可以得到單個(gè)方向的自旋電子數(shù)。因?yàn)椴煌�的極化方向的電子的運(yùn)動(dòng)軌跡不同，如果將四個(gè)閃爍體和光電倍增的位置進(jìn)行固定，就可以得到不同方向上的自旋電子數(shù)，然后進(jìn)行分析，最終得到電子自旋的極化度和極化方向。
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2.2閃爍型探測(cè)器
閃爍探測(cè)器的基本原理裝置如下閣2.2.1所示，它主要由閃爍體、光導(dǎo)、光電倍增管以及相應(yīng)的電子學(xué)系統(tǒng)組成。只有在能量較高的區(qū)域能量響應(yīng)才接近線性關(guān)系；閃爍體的突光發(fā)射光譜應(yīng)該匹配光電倍增管光陰極的光譜響應(yīng)，從而獲得較大幅度的光脈沖；閃爍體的發(fā)光衰減時(shí)間要小，這樣時(shí)間分辨性能就好，就可獲得較大的計(jì)數(shù)率；最后閃爍體的性能要穩(wěn)定即在放射源長(zhǎng)期的照射下它的福照效應(yīng)要小。通常應(yīng)用的閃爍體可分為兩大類：有機(jī)閃爍體和無(wú)機(jī)閃爍體。有時(shí)又可從物質(zhì)的物理形態(tài)上區(qū)分：有固體（晶體或粉末)、液體、塑料（固溶體)、氣體（常為惰性氣體）等。閃爍體最重要的特性是發(fā)光效率和能量分辨，這些都是由閃爍體本身決定。圖2.2.2所示為帶電粒子在閃爍體中的能量響應(yīng)曲線，也稱為閃爍體的能量響應(yīng)和能量分辨，一般情況下，閃爍體的能量響應(yīng)并不是完全線性的，對(duì)于本項(xiàng)目應(yīng)用中，自旋極化的電子的能量分辨曲線是基本線性的。光電倍增管是利用光電效應(yīng)、二次電子發(fā)射及電子光學(xué)原理的一種對(duì)光靈敏度極高的電真空器件。作為探測(cè)弱光的有力手段之一，它的作用是將閃爍體的微弱焚光轉(zhuǎn)變成光電子，再經(jīng)過多次倍增輸出有用的電信號(hào)。它的優(yōu)點(diǎn)有：靈敏度高、噪聲低、響應(yīng)速度快以及放大倍數(shù)高等。因此光電倍增管在物理、生物、醫(yī)學(xué)、氣象以及宇宙等科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，主要用以診斷相關(guān)的物理、化學(xué)過程。一般光電倍增管有兩個(gè)重要屬性，圖2.2.4反應(yīng)了光電倍增管的靈敏度和入射波長(zhǎng)的關(guān)系：不同材料的光陰極有不同的響應(yīng)范圍。圖2.2.5反應(yīng)了倍增率和控制電壓的關(guān)系：控制電壓越高，倍增率越大，在相同的觸發(fā)條件下，輸出的電信號(hào)越大聞。

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第三章探測(cè)儀的電子學(xué)設(shè)計(jì)......... 8
3.1硬件設(shè)計(jì)需求........ 8
3.1.1高電位信號(hào)處理單元........ 8
3.1.2低電位控制顯示單元 ........10
3.2高電位信號(hào)處理單元設(shè)計(jì)........ 10
3.3低電位控制顯示單元設(shè)計(jì)........ 25
3.4光纖通信模塊 ........31
第四章探測(cè)儀軟件設(shè)計(jì)........ 33
4.1軟件設(shè)計(jì)需求........ 33
4.2通信協(xié)議和解析........ 34

4.3閉環(huán)回路控制算法........ 36
4.4按鍵顯示設(shè)計(jì)........ 38
4.5反符合兩種實(shí)現(xiàn)........ 39
第五章系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果展示........ 42
5.1前置放大器的性能測(cè)試........ 42
5.2 RC常數(shù)測(cè)試 ........  44
5.3探測(cè)儀計(jì)數(shù)性能測(cè)試........ 46
5.4結(jié)構(gòu)和安裝測(cè)試........ 48

第五章系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果展示

5.1前置放大器的性能測(cè)試
在本文第三章，我們介紹了幾種不同的前置放大器類型，每種放大器都有不同的應(yīng)用場(chǎng)合和優(yōu)勢(shì)，我們按照理論分析選擇了一種前置放大器。該前置放大器在應(yīng)用中是否具有最好的效果和最優(yōu)的性能還需加以驗(yàn)證。下面我們就將實(shí)際測(cè)試兩種類型的放大電路。首先我們根據(jù)不同的電路形式設(shè)計(jì)了具體的硬件電路圖。具體的電路圖和詳細(xì)的參數(shù)如下圖所示：圖5.1.1為電流靈敏型前置放大器，采用OPA657運(yùn)算放大器作為電壓跟隨；圖5.1.2為電荷靈敏型前置放大器，也采用FET輸入的運(yùn)算放大器OPA657。在測(cè)試中，我們采用相同的觸發(fā)源、相同的倍增率以及相同的運(yùn)算放大器，最后用示波器分別去觀測(cè)前置放大電路輸出的波形，對(duì)波形的上升沿、脈寬進(jìn)行比較分析，然后得出結(jié)論。比較上面兩種輸出波形，圖5.1.3中電流靈敏型前置放大器的上升沿為40US,脈寬為l00us左右。而圖5.1.4中IV變化電路的上升沿只有20ns，脈寬為500ns。并且根據(jù)理論分析，我們還可以修改RC常數(shù)來(lái)調(diào)整脈寬。采用電荷靈敏型前置放大器可以獲得更好的脈沖信號(hào)，靈敏度更高。并且還可以調(diào)整脈沖脈寬，具有更好的靈活性。
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結(jié)論

本論文主要的研究?jī)?nèi)容是電子自旋探測(cè)儀電子學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。通過對(duì)多道脈沖幅定標(biāo)儀的組成和工作原理的分析，制作了一套用于電子自旋實(shí)驗(yàn)的探測(cè)儀電子學(xué)設(shè)備，該儀器具有以下特點(diǎn)：
1、高速高帶寬前端放大器。釆用高帶寬、低噪聲、FET輸入的集成運(yùn)放構(gòu)成電荷靈敏型運(yùn)算放大器。能夠快速靈敏的對(duì)探測(cè)器輸出的信號(hào)進(jìn)行脈沖成型和放大。
2、高速ECL甄別電路。能夠?qū)μ綔y(cè)器輸出的信號(hào)進(jìn)行快速的甄別，并且輸出ECL電平信號(hào)，傳播延時(shí)為2.5ns，延時(shí)抖動(dòng)為50ps。同時(shí)高低閾值可以靈活設(shè)置，可以非常方便的統(tǒng)計(jì)不同幅度的脈沖數(shù)量，從而對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
3、光電接口實(shí)現(xiàn)高電位信號(hào)處理單元與低電位控制顯示單元的隔離和通信。通過低電位控制顯示單元可以快捷的修改髙電位信號(hào)處理單元的實(shí)驗(yàn)變量和記錄實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)。USB與PC機(jī)相連后還可通過上位機(jī)軟件控制實(shí)驗(yàn)儀器。
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