專利名稱：用于核譜學(xué)及核電子學(xué)的高速并行多通道多道數(shù)據(jù)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及核譜學(xué)及核電子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種用于核譜學(xué)及核電子學(xué)的高速并行多通道多道數(shù)據(jù)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
核譜學(xué)測量中多道分析器是記錄和分析核物理事件的脈沖信息的測量單元，分為單通道多道(multichannel)分析器和多參數(shù)(multi-parameter)多道分析器兩類。多參數(shù)多通道測量是核譜學(xué)實(shí)驗(yàn)與測量中的重要部分，在各類核物理實(shí)驗(yàn)及核分析技術(shù)中被廣泛應(yīng)用。其核心原理是同時(shí)或者分時(shí)記錄來自各路(通道)的脈沖信號的能量及時(shí)間的信息，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、記錄，以獲取核事件發(fā)生的物理過程。多通道多道數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)由前端模擬電路、ADC、數(shù)字信號處理器、計(jì)算機(jī)通訊接口以及計(jì)算機(jī)等部分組成。
傳統(tǒng)的多參數(shù)測量可以分為分時(shí)或者順序多通道測量和并行多通道符合測量兩大類，第一類多參數(shù)多道分析器如美國ORTEC公司生產(chǎn)的NIM標(biāo)準(zhǔn)919E Multichannel Buffer四通道多道插件、CAMAC標(biāo)準(zhǔn)AD413A Quad 8k ADC四通道多道插件屬于分時(shí)多通道多道測量系統(tǒng)，其核心技術(shù)是利用多路混和器(multiplexer)將來自各路(通道)的脈沖信號分時(shí)或者順序(first-come，first-served basis)發(fā)送到單一ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并分別記錄，相當(dāng)于一個(gè)脈沖多道分析器實(shí)現(xiàn)了多個(gè)脈沖多道分析器的功能，是核物理實(shí)驗(yàn)中最常用的一類脈沖多道分析器，主要用于能譜測量以及時(shí)間測量的實(shí)驗(yàn)中。第二類多參數(shù)多道分析器屬于并行多通道符合測量脈沖多道分析系統(tǒng)，如采用多個(gè)CAMAC標(biāo)準(zhǔn)ORTECAD114 16k ADC以及德國FASTCom公司生產(chǎn)的NIM標(biāo)準(zhǔn)7072 ADC分別對來自各路(通道)的脈沖信號并行進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并分別通過專用CAMAC FERAbus Module以及專用ADC Port Module和專用MPA-3 BaseModule進(jìn)行分析和數(shù)據(jù)傳輸。這類脈沖多道分析器主要用于同時(shí)記錄和測量相關(guān)聯(lián)的核事件的時(shí)間、能量等。如正電子湮沒壽命-動(dòng)量關(guān)聯(lián)測量中，需要同時(shí)獲取正電子在樣品中的湮沒壽命和湮沒光子的能量信息，又如，在正電子湮沒符合多普勒測量中，需要同時(shí)獲得兩個(gè)湮沒光子的能量信息。第一類脈沖多道分析器由于屬于單個(gè)ADC分時(shí)處理多通道信息，而無法滿足同時(shí)記錄多路相關(guān)聯(lián)核事件的測量要求。因而，兩類多道分析器適用的范圍有所不同，但是第二類脈沖多道分析器可以替代第一類脈沖多道分析器，實(shí)現(xiàn)非關(guān)聯(lián)多路測量的實(shí)驗(yàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種泛用的可用于核儀器測量的高速、并行多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)可在多通道獨(dú)立工作或者多通道多參數(shù)符合模式下工作。在多通道獨(dú)立工作模式下，可作為多個(gè)真正獨(dú)立的脈沖多道分析器，同時(shí)為多個(gè)測量系統(tǒng)工作，減少測量死時(shí)間；在多通道符合模式下，可以使用硬件編程語言(VHDL)實(shí)現(xiàn)對被探測事例的時(shí)間與能量的相關(guān)性分析，如核物理事件中的能量-能量符合測量、時(shí)間-能量符合測量、時(shí)間-動(dòng)量符合測量等。
本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是采用高速模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)、快速數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)的集成應(yīng)用。接口通訊使用USB2.0，LAN網(wǎng)絡(luò)接口高速數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。
本發(fā)明公開一種核譜學(xué)及核電子學(xué)的高速并行多通道多道數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，特別是用于核譜學(xué)中相關(guān)事件多參數(shù)符合測量的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)1.本發(fā)明采用高速模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)為核心技術(shù)以及高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)，可以取代目前由復(fù)雜的ADC插件和專用的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)組合而成的各類脈沖多道分析器，簡化了測量裝置和使用技術(shù)，大大降低了設(shè)備的造價(jià)和使用成本。
2.本發(fā)明將多通道多參數(shù)的輸入信號的時(shí)間和能量的相關(guān)性判斷在硬件FPGA中完成，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩瑴p少測量死時(shí)間，提高了測量精度和測量穩(wěn)定性，可用于高計(jì)數(shù)率條件下的脈沖數(shù)據(jù)采集的情形。
3.本發(fā)明可以通過計(jì)算機(jī)方便的修改FPGA的工作模式以及對FPGA進(jìn)行編程，從而滿足各種條件的測量要求4.本發(fā)明具有內(nèi)觸發(fā)、外觸發(fā)符合測量模式以及各路獨(dú)立工作等多種工作模式。滿足目前商用多道分析器的各種測量要求。


圖1是本發(fā)明用于核譜學(xué)及核電子學(xué)的高速并行多通道多道數(shù)據(jù)系統(tǒng)原理框圖。
圖2是采用不同放射源γ能峰對本系統(tǒng)線性度進(jìn)行測量結(jié)果。
圖3是采用本發(fā)明作為單通道脈沖多道分析器對探測器進(jìn)行能量分辨率的標(biāo)定結(jié)果圖。
圖4是采用本發(fā)明作為單通道脈沖多道分析器測量的正電子湮沒多普勒展寬能譜測量結(jié)果和采用ORTEC NIM 921脈沖多道分析器測量的正電子湮沒多普勒展寬能譜測量結(jié)果的比較。
圖5是圖4中511keV能量附近正電子湮沒多普勒展寬譜形的詳細(xì)比較結(jié)果圖。
圖6是正電子湮沒符合多普勒測量原理框圖(內(nèi)觸發(fā)模式)。
圖7是正電子湮沒符合多普勒測量原理框圖(外觸發(fā)模式)。
圖8是采用外觸發(fā)模式測量得到的正電子湮沒符合多普勒二維能譜分布圖。
圖9是圖8測量結(jié)果的平面投影圖。
具體實(shí)施例方式
圖1給出系統(tǒng)具體實(shí)施的原理框圖。
一種用于核譜學(xué)及核電子學(xué)的高速并行多通道多道數(shù)據(jù)系統(tǒng)，由4個(gè)相互獨(dú)立的模數(shù)轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換通道和現(xiàn)場可編程門陣列FPGA芯片、數(shù)據(jù)傳輸模塊、單片機(jī)組成，A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換通道連接于FPGA芯片，F(xiàn)PGA芯片通過數(shù)據(jù)傳輸模塊和單片機(jī)連接于計(jì)算機(jī)。
采用14位高速ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采樣率最高可達(dá)65MHz，以保證采樣精度和采樣速度；A/D轉(zhuǎn)換通道主要由差分放大器AD8138和A/D轉(zhuǎn)換芯片AD9244組成。差分放大器AD8 138連接于A/D轉(zhuǎn)換芯片AD9244芯片。
AD9244是ADI公司生產(chǎn)的一款性能優(yōu)異的雙極型工藝A/D轉(zhuǎn)換器，它自帶輸出誤差修正電路，采用多級差分流水線結(jié)構(gòu)，在65MSPS轉(zhuǎn)換速率下能提供75dB信噪比(SNR)，90dB無雜散信號動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)和14位采樣精度，可保證在全部規(guī)定溫度范圍內(nèi)不丟碼?，F(xiàn)場可編程門陣列FPGA，對各通道脈沖信號的時(shí)間、幅度、每個(gè)脈沖的采樣點(diǎn)數(shù)信息及其相關(guān)性進(jìn)行在線分析，采用不同處理方式對脈沖堆積效應(yīng)進(jìn)行去除、脈沖形狀及峰位的判斷等，實(shí)現(xiàn)有效數(shù)據(jù)選擇，提高信噪比；FPGA芯片采用Xilinx公司Spartan-3系列中的XC3S10004FG456CB，它使用90nm工藝生產(chǎn)，與同類型其它產(chǎn)品相比，具有價(jià)格低、容量高、性能優(yōu)異的特點(diǎn)。這些特性包括高性能區(qū)塊和分布式RAM；MicroBlaze 32位RISC軟處理器和XtremeDSP功能；專用118×18乘法器；每秒提供3300億次乘法和累加(MAC)運(yùn)算。單片機(jī)采用美國微芯科技公司(MicroChipTechnology)生產(chǎn)的16位閃存單片機(jī)dsPIC30F6014，它配備132K字節(jié)至144K字節(jié)增強(qiáng)型閃存及6K至8K字節(jié)靜態(tài)RAM，同時(shí)還配備了一個(gè)CODEC接口和一個(gè)12位100KSPS模數(shù)轉(zhuǎn)換器，能支持大型的復(fù)雜應(yīng)用。
系統(tǒng)工作時(shí)，單端的模擬信號首先由差分放大器AD8138轉(zhuǎn)換成差分信號，然后送入AD9244進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn)換采用Pipe-Line方式進(jìn)行。各個(gè)通道轉(zhuǎn)換后的14位數(shù)字量送入FPGA中，通過尋峰過程找到有效信號峰，并通過計(jì)算得到脈沖信號的能量信息和時(shí)間信息，并且根據(jù)不同的使用目的，對各通道采集到的信號進(jìn)行能量、時(shí)間等方面的符合和篩選，由UDP傳輸模塊將信號的能量和時(shí)間信息送到計(jì)算機(jī)，進(jìn)行保存或進(jìn)行進(jìn)一步的處理。也可以選擇將脈沖信號的波形采樣數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)直接進(jìn)行保存，以方便離線數(shù)據(jù)處理。使用者可根據(jù)不同的使用目的，在計(jì)算機(jī)上的操作界面中選擇不同的工作模式和工作參數(shù)，這些改變工作模式和參數(shù)的命令通過RS-232通訊接口，由dsPIC30F6014單片機(jī)向系統(tǒng)發(fā)出。
為了保證4個(gè)采樣通道的同步性能，電路中采用了一對LVDS時(shí)鐘接收和發(fā)送芯片構(gòu)成時(shí)鐘調(diào)理電路，時(shí)鐘調(diào)理電路的使用既減小了晶振輸出時(shí)鐘的上升和下降時(shí)間，同時(shí)也保證了四個(gè)ADC接收到的頻率和相位始終都是相同的。
通過以上設(shè)計(jì)，本數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)可以根據(jù)使用者的不同使用目的和要求，靈活改變工作模式和工作參數(shù)，在不同的應(yīng)用場所完成單參數(shù)及多參數(shù)數(shù)據(jù)獲取任務(wù)。在核測量中，不僅可實(shí)現(xiàn)多參數(shù)符合測量，也可作為多個(gè)獨(dú)立的多道分析器。
在時(shí)鐘電路中，采用時(shí)鐘分配器將同一時(shí)鐘分配給4個(gè)A/D通道使用，以保證各通道的同步。
數(shù)據(jù)傳輸接口采用USB2.0及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸接口，以保證足夠高的數(shù)據(jù)傳輸速率和不同應(yīng)用場合的需要。
圖2是采用不同放射源γ能峰(133Ba 355.75keV，383.54keV，436.26keV和22Na 511keV)對本系統(tǒng)線性度進(jìn)行測量。以γ能譜的峰位道數(shù)和對應(yīng)能量作圖。擬合函數(shù)y＝0.29732*(x-2029.99668)，擬合度R^2＝0.99997。結(jié)果表明本系統(tǒng)的線性度很好，能夠滿足高精度測量要求。
圖3是采用本發(fā)明作為單通道脈沖多道分析器對探測器進(jìn)行能量分辨率的標(biāo)定結(jié)果。實(shí)驗(yàn)條件放大器采用Ortec 572，成形時(shí)間2μs，探測器采用Ortec GLP平面型高純鍺探測器。測量結(jié)果系統(tǒng)對85Sr514keV和147Nd 531keVγ的能量分辨率(FWHM)分別為1.22keV和1.23keV。
圖4是采用本發(fā)明作為單通道脈沖多道分析器測量的正電子湮沒多普勒展寬能譜測量結(jié)果以及采用ORTEC NIM 921脈沖多道分析器測量的正電子湮沒多普勒展寬能譜測量結(jié)果的比較。實(shí)驗(yàn)條件放大器采用Ortec572，成形時(shí)間1μs，探測器采用Ortec GLP平面型高純鍺探測器，22Na放射源，峰面積總計(jì)數(shù)約為2.2×106。
圖5是圖4中511keV能量附近正電子湮沒多普勒展寬譜形的詳細(xì)比較結(jié)果。
圖6是正電子湮沒符合多普勒測量內(nèi)觸發(fā)模式原理框圖。內(nèi)觸發(fā)模式是利用該發(fā)明的板載FPGA芯片，對模數(shù)轉(zhuǎn)換后的兩路數(shù)字信號分別進(jìn)行時(shí)間和能量的相關(guān)性判斷，判斷標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)條件通過硬件編程語言來實(shí)現(xiàn)。符合時(shí)間1～256(×50ns)可調(diào)，符合能量可調(diào)，信號被判斷有效后通過USB總線傳送給計(jì)算機(jī)。其中虛框?qū)?yīng)該發(fā)明系統(tǒng)。
圖7是正電子湮沒符合多普勒測量外觸發(fā)模式原理框圖。外觸發(fā)模式是在該發(fā)明系統(tǒng)外部通過一系列NIM插件實(shí)現(xiàn)對信號的符合判斷，判斷有效時(shí)才選通該發(fā)明系統(tǒng)，該發(fā)明系統(tǒng)只起到?！獢?shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?。外觸發(fā)模式具有更為精確的符合判斷功能，能夠更好地消除偶然符合，減少測量本底。
圖8是采用外觸發(fā)模式測量得到的正電子湮沒符合多普勒展寬二維能譜分布圖(高純退火Al樣品和22Na正電子源)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果測量峰谷比好于1.6×106。圖中橫軸E1、E2分別為高純鍺探測器同時(shí)捕捉到的兩個(gè)γ射線的能量，縱軸Counts為實(shí)驗(yàn)中同時(shí)探測到相應(yīng)能量的兩個(gè)γ射線的計(jì)數(shù)。
圖9是圖8測量得到的立體圖向E1、E2平面投影后的平面圖。該圖中的計(jì)數(shù)值對應(yīng)著實(shí)際的計(jì)數(shù)，圖的右側(cè)從上至下計(jì)數(shù)逐漸增大。
權(quán)利要求
1.一種用于核譜學(xué)及核電子學(xué)的高速并行多通道多道數(shù)據(jù)系統(tǒng)，由4個(gè)相互獨(dú)立的模數(shù)轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換通道和現(xiàn)場可編程門陣列FPGA芯片、數(shù)據(jù)傳輸模塊、單片機(jī)組成，A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換通道連接于FPGA芯片，F(xiàn)PGA芯片通過數(shù)據(jù)傳輸模塊和單片機(jī)連接于計(jì)算機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速并行多通道多道數(shù)據(jù)系統(tǒng)，其特征在于采用14位高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采樣率最高可達(dá)65MHz，以保證采樣精度和采樣速度；A/D轉(zhuǎn)換通道主要由差分放大器AD8138和A/D轉(zhuǎn)換芯片AD9244芯片組成，差分放大器AD8138連接于A/D轉(zhuǎn)換芯片AD9244芯片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速并行多通道多道數(shù)據(jù)系統(tǒng)，其特征在于在時(shí)鐘分配電路中，采用時(shí)鐘分配器將同一時(shí)鐘分配給4個(gè)A/D通道使用，以保證各通道的同步。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速并行多通道多道數(shù)據(jù)系統(tǒng)，其特征在于采用現(xiàn)場可編程門陣列FPGA，對各通道脈沖信號的時(shí)間、幅度、每個(gè)脈沖的采樣點(diǎn)數(shù)信息及其相關(guān)性進(jìn)行在線分析，采用不同處理方式對脈沖堆積效應(yīng)進(jìn)行去除、脈沖形狀及峰位的判斷等，實(shí)現(xiàn)有效數(shù)據(jù)選擇，提高信噪比。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速并行多通道多道數(shù)據(jù)系統(tǒng)，其特征在于數(shù)據(jù)傳輸接口采用USB2.0及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸接口，以保證足夠高的數(shù)據(jù)傳輸速率和不同應(yīng)用場合的需要。
全文摘要
本發(fā)明涉及核譜學(xué)及核電子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種用于核譜學(xué)及核電子學(xué)的高速并行多通道多道數(shù)據(jù)系統(tǒng)。由4個(gè)獨(dú)立的通道組成，包括各自的模擬電路、14位ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換、一個(gè)4通道時(shí)鐘分配器將同一時(shí)鐘分配給4個(gè)A/D通道使用以保證各通道的同步，各通道模擬輸入信號經(jīng)各通道ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后，輸入大容量FPGA芯片，對各通道脈沖信號的時(shí)間、幅度、每個(gè)脈沖的采樣點(diǎn)數(shù)信息及其相關(guān)性進(jìn)行在線分析，并進(jìn)行有效數(shù)據(jù)選擇，由網(wǎng)絡(luò)傳輸或USB2.0接口送入主控計(jì)算機(jī)中儲存。
文檔編號G01T1/17GK1979220SQ20051012570
公開日2007年6月13日 申請日期2005年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月1日
發(fā)明者王寶義, 王丹妮, 章志明, 馬創(chuàng)新, 魏龍 申請人:中國科學(xué)院高能物理研究所