【摘要】 電子自旋是電子的基本性質(zhì)之一,自旋電子學是以不同自旋取向的電子為對象,研究具有某一自旋狀態(tài)的電子運輸特性的新興學科,是當前凝聚態(tài)物理的熱點領域之一。通過閃爍體加光電倍增管的方式能夠測量高能Mott散射電子,從而直接測量出電子自旋極化度和極化方向。本文以此為基礎,采用電子自旋探測技術設計出基于電子自旋探測儀的電子學系統(tǒng)。論文首先分析了電子自旋探測器對電子學系統(tǒng)的具體要求,并結(jié)合工作環(huán)境和噪聲等因素,設計了工作在30KV高壓環(huán)境中的高電位信號處理單元和工作在低電位的控制顯示單元,兩個單元使用光電轉(zhuǎn)換進行隔離和通信。高電位信號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、反符合電路和計數(shù)率可達20MHz的高速計數(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轉(zhuǎn)換為1Vpp、30ns寬度的電壓脈沖信號；高速脈沖幅度甄別器的可調(diào)閾值為100mV-4.0V、響應時間為2.5ns。低電位控制顯示單元主要功能是提供按鍵輸入、顯示實驗條件、并且可以通過USB接口與PC機通信,使用標準2U機箱,滿足儀器設備規(guī)范。本文設計的電子自旋探測儀電子學系統(tǒng)已用于自旋分辨反光電子能譜實驗,系統(tǒng)運行穩(wěn)定,用戶界面良好,滿足設計需求。
 
【關鍵詞】 電子自旋； 前置放大器； 甄別器； 計數(shù)器；

第一章緒論

1.1電子自旋的基本概念
一般而言，微電子學主要是研究電子或離子在半導體材料中的輸運規(guī)律及其應用；在傳統(tǒng)的微電子學應用中一般不考慮電子的自旋特性。但是隨著近年來納米科學技術的發(fā)展，半導體組件的尺寸已經(jīng)可以降到納米量級。這一改變使得許多宏觀特性不再適用，此時，關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，一門新興學利——自旋電子學應運而生。自旋電子學的整體發(fā)展一方面依賴于理論方面的研究，主要包括對固體材料尤其是半導體材料的能帶結(jié)構、缺陷、自旋極化、以及自旋輸運等相關性質(zhì)的深入研究。另一方面也依賴于發(fā)現(xiàn)新的材料和設計出全新結(jié)構的電子器件和工藝的發(fā)展狀況（只有在工藝的加工水平達到納米級別，自旋等量子性質(zhì)才有可能應用于電子器件)�；�于自旋電子學的研究理念，我們將自旋自由度的概念也引入到半導體器件中，我們將這種新型半導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，作為信息的存儲和處理載體。這一概念的引入使得半導體器件的工作原理和結(jié)構得以創(chuàng)新，也使得其功能與應用空間得以進一步的擴寬。
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1.2電子自旋探測儀的研制意義
材料的電子結(jié)構直接決定了材料的力學、熱學、光學和電輸運等宏觀物理性質(zhì)，因而材料電子結(jié)構研究成為凝聚態(tài)物理學研究的重要領域。而自旋作為電子結(jié)構的一項重要參數(shù)，對材料性質(zhì)尤其是磁學性質(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)物理學研究表明，電子自旋相互作用在超導體，重費米子等強關聯(lián)物理體系相變機制中具有極其重要的作用。通過對自旋分辨的能帶結(jié)構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聯(lián)作用。因此確定電子的自旋狀態(tài)對于材料性質(zhì)的研究就顯得尤為重要。而關于電子自旋狀態(tài)的表征手段的研究就迫在眉睫。一種先進的電子自旋表征技術對于凝聚態(tài)物理學和現(xiàn)代材料研究具有重要的科學和現(xiàn)實意義。近年來，最受關注的同時也被廣泛認可的電子自旋探測儀是Mott電子自旋結(jié)構探測器。下圖為當前使用的Mott電子自旋探測器結(jié)構。原理是采用MCP單電子檢出的方式直接測量減速背散射電子（如下圖1.2.1所示）。這種探測方式最高計數(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。在本項目的應用中，要對高通量極化電子流的自旋極化進行檢測。場發(fā)射極化電子槍的發(fā)射電流可達數(shù)百量級，如果直接用電子自旋探測器對其檢測，意味著每秒每個探測通道5少需檢測108個電子。當前屯電子學和電子自旋探測器自身條件限制，不能檢測如此高通量的電子流。為了突破這個瓶頸，改善電子自旋探測器的性能，我們采用快速閃爍體進行光電轉(zhuǎn)換來測量發(fā)射電子流的極化度與極化方向。
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第二章探測儀系統(tǒng)設計

2.1工作原理
當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，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在不同散射方向上因為自旋取向數(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)目進行統(tǒng)計，就可以得到電子自旋的極化度和極化方向。探測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量減速背散射電子。但是這種方式的計數(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高能散射電子的檢測方式，具體的探測電子的方式如下。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，再用光電倍增管去探測高速閃爍體產(chǎn)生的光信號，最后輸出電流脈沖信號。電子學系統(tǒng)對電流信號進行I-V變換，放大、觀別和計數(shù)，這樣就可以得到單個方向的自旋電子數(shù)。因為不同的極化方向的電子的運動軌跡不同，如果將四個閃爍體和光電倍增的位置進行固定，就可以得到不同方向上的自旋電子數(shù)，然后進行分析，最終得到電子自旋的極化度和極化方向。
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2.2閃爍型探測器
閃爍探測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、光電倍增管以及相應的電子學系統(tǒng)組成。只有在能量較高的區(qū)域能量響應才接近線性關系；閃爍體的突光發(fā)射光譜應該匹配光電倍增管光陰極的光譜響應，從而獲得較大幅度的光脈沖；閃爍體的發(fā)光衰減時間要小，這樣時間分辨性能就好，就可獲得較大的計數(shù)率；最后閃爍體的性能要穩(wěn)定即在放射源長期的照射下它的福照效應要小。通常應用的閃爍體可分為兩大類：有機閃爍體和無機閃爍體。有時又可從物質(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曲線，也稱為閃爍體的能量響應和能量分辨，一般情況下，閃爍體的能量響應并不是完全線性的，對于本項目應用中，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、二次電子發(fā)射及電子光學原理的一種對光靈敏度極高的電真空器件。作為探測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。它的優(yōu)點有：靈敏度高、噪聲低、響應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、氣象以及宇宙等科學技術的各個領域都有廣泛應用，主要用以診斷相關的物理、化學過程。一般光電倍增管有兩個重要屬性，圖2.2.4反應了光電倍增管的靈敏度和入射波長的關系：不同材料的光陰極有不同的響應范圍。圖2.2.5反應了倍增率和控制電壓的關系：控制電壓越高，倍增率越大，在相同的觸發(fā)條件下，輸出的電信號越大聞。

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第三章探測儀的電子學設計......... 8
3.1硬件設計需求........ 8
3.1.1高電位信號處理單元........ 8
3.1.2低電位控制顯示單元 ........10
3.2高電位信號處理單元設計........ 10
3.3低電位控制顯示單元設計........ 25
3.4光纖通信模塊 ........31
第四章探測儀軟件設計........ 33
4.1軟件設計需求........ 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按鍵顯示設計........ 38
4.5反符合兩種實現(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試........ 42
5.2 RC常數(shù)測試 ........  44
5.3探測儀計數(shù)性能測試........ 46
5.4結(jié)構和安裝測試........ 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用場合和優(yōu)勢，我們按照理論分析選擇了一種前置放大器。該前置放大器在應用中是否具有最好的效果和最優(yōu)的性能還需加以驗證。下面我們就將實際測試兩種類型的放大電路。首先我們根據(jù)不同的電路形式設計了具體的硬件電路圖。具體的電路圖和詳細的參數(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輸入的運算放大器OPA657。在測試中，我們采用相同的觸發(fā)源、相同的倍增率以及相同的運算放大器，最后用示波器分別去觀測前置放大電路輸出的波形，對波形的上升沿、脈寬進行比較分析，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，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

本論文主要的研究內(nèi)容是電子自旋探測儀電子學系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)。通過對多道脈沖幅定標儀的組成和工作原理的分析，制作了一套用于電子自旋實驗的探測儀電子學設備，該儀器具有以下特點：
1、高速高帶寬前端放大器。釆用高帶寬、低噪聲、FET輸入的集成運放構成電荷靈敏型運算放大器。能夠快速靈敏的對探測器輸出的信號進行脈沖成型和放大。
2、高速ECL甄別電路。能夠?qū)μ綔y器輸出的信號進行快速的甄別，并且輸出ECL電平信號，傳播延時為2.5ns，延時抖動為50ps。同時高低閾值可以靈活設置，可以非常方便的統(tǒng)計不同幅度的脈沖數(shù)量，從而對實驗數(shù)據(jù)進行處理和分析，得出實驗結(jié)果。
3、光電接口實現(xiàn)高電位信號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處理單元的實驗變量和記錄實驗中的數(shù)據(jù)。USB與PC機相連后還可通過上位機軟件控制實驗儀器。
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