CN101710183B - 用于核谱学及核电子学的数字符合多道系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于信号处理技术领域，具体涉及一种用于核谱学及核电子学的数字符合多道系统，利用ADC采样，将每个通道采集到的脉冲信号波形由信号处理器实时处理，得到该脉冲信号的幅度和到达时刻并保存到计算机中；测量结束后，从计算机保存的数据中读出每个通道的每个脉冲的脉冲幅度和到达时刻，然后根据延迟时间谱线选择延迟时间和符合分辨时间参数，用计算机软件挑选出多个通道之间在符合分辨时间之内的符合脉冲信号，形成多参数核谱。本发明提供的数字符合多道系统具有结构简单、成本低廉、信号采集和处理效率高等优点。
Description
技术领域
本发明属于信号处理技术领域，具体涉及一种用于核谱学及核电子学的数字符合多道系统。
背景技术
在核谱学测量中，多参数(多通道)多道分析器是记录和分析各类核辐射信息的核电子学单元。每个核辐射事件对应多个测量参数，每个参数对应一个测量通道，因此同一事件的参数需要同时记录并组合为一个事件数据。传统的模拟多参数采用多通道信号的符合来判断并记录一个事件数据，因此这类多参数多道需要配有模拟的符合线路，如图1所示。模拟符合线路是通过判断多路脉冲信号是否在同一个时间间隔内到达，此时间间隔称为符合分辨时间，在符合分辨时间之内到达的脉冲信号即为同一核事件的符合脉冲。对于同一核辐射事件，由于测量其不同的参数的探测器和前端电子学线路的差异，造成记录时多个参数不是同时到达，需要仔细调整各个参数的延迟时间。
传统的模拟多参数多道系统由前端放大线路、延迟调整线路、符合线路、门控道峰敏感ADC和计算机多道组成。其中关键电子设备是门控峰敏感ADC，例如Ortec公司采用CAMAC总线标准的AD114，FASTCom公司采用NIM标准的7072。这类ADC都需要符合线路提供门控信号以确认多个参数属于同一核辐射事件，在记录时，通过专门的电子学仪器模块，把多通道信号组合为一个事件进行记录。
传统的模拟多参数多道系统存在如下缺点：
1.该多道系统采用硬件调整延迟时间和符合分辨时间，需要复杂的模拟线路设备，成本较高。
2，在测量前必须用模拟测量情况下的辐射源来调整校正延迟时间和符合分辨时间，这是一个繁琐的工作，并且需要时幅变换TAC这样专门的电子学仪器。一旦这两个参数不适当，整个测量系统将无法正确记录核辐射事件。
3，在测量过程中，采用硬件调整延迟时间和符合分辨时间耗时较长，并且测量存在死时间的问题，影响测量的效率和准确性。
发明内容
(一)发明目的
本发明目的在于解决现有模拟多参数多道系统所存在的上述问题。
(二)技术方案
针对上述问题，本发明提供一种用于核谱学及核电子学的数字符合多道系统，利用ADC采样，将每个通道采集到的脉冲信号波形由信号处理器实时处理，得到该脉冲信号的幅度和到达时刻并保存到计算机中；测量结束后，从计算机保存的数据中读出每个通道的每个脉冲的脉冲幅度和到达时刻，然后人工输入或者根据延迟时间谱线选择延迟时间和符合分辨时间参数，用计算机软件挑选出多个通道之间在符合分辨时间之内的符合脉冲信号，形成多参数核谱。所述数字符合多道系统的通道数为3至4个。
所述ADC采用高速高分辨率采样ADC，分辨率为14位以上，采样速度可达40MSPS以上；ADC前端使用差分驱动放大器AD8138实现对ADC的驱动。
所述信号处理器采用CPLD和DSP。CPLD容量可达512宏单元以上，可在线重复多次编程；DSP采用16位以上定点DSP，使用相应的脉冲处理算法可以处理脉冲的幅度、宽度、到达时刻和脉冲上升时间。
各信号通道的计时单元由其各自的CPLD内部逻辑单元构成实时时钟计数器，各个信号通道的实时时钟计数器由同一时钟源驱动。
(三)有益效果
1.该系统用硬件和软件结合实现了模拟多参数多道系统的延迟、符合、ADC和多道，简化了多参数多道系统的组成，降低了设备成本，大大简化了多参数多道的调试和使用过程。
2.采用CPLD和DSP实时处理脉冲波形信息，系统没有死时间，后续处理的计算机软件同时实现了核谱学的固定死时间和扩展死时间。
3.CPLD和DSP实时处理脉冲波形信息后，提取出脉冲的幅度和到达时刻，改变CPLD和DSP处理算法，在不改变和增加其他电子学硬件设备情况下，可以处理不同的脉冲波形，适用范围更广泛。
4.因为延迟时间和符合分辨时间是在软件计算时选取的参数，可以对同一次测量的数据选择不同的参数，软件实现了延迟时间和符合分辨时间自动选择，避免了复杂的延迟时间和符合分辨时间设置，同时避免了参数选择不当造成测量核谱的错误。
5.因为不同通道的数据符合是由软件实现，每个通道也可以单独作为一个计算机多道使用。这样一次测量，可以同时得到每个通道单独的核谱和多通道符合的多参数核谱。
附图说明
图1是传统的模拟多参数多道系统框图；图2是本发明具体实施方式部分提供的三通道数字符合多道系统的整体框图；图3是图2中三通道数字符合多道系统原理框图；图4是正比计数器测量能谱；图5为Si探测器测量能谱；图6为延迟时间谱。
具体实施方式
本实施例提供一种用于核谱学及核电子学的三通道数字符合多道系统。
如附图2和3所示，一个核辐射事件发生后，其信号经过前置放大器和主放大器放大，由高速高分辨采样ADC采集，采集到脉冲信号波形后，用CPLD和DSP实时处理得到脉冲信号的幅度和到达时刻，多通道之间采用同一时钟源以保证采样ADC的时钟同步，每个通道的每个脉冲信号的幅度和到达时间信息经由先进先出存储器FIFO和PCI总线被保存到计算机中。当测量结束后，从计算机保存的数据文件中读出每个通道的每个脉冲的脉冲幅度和到达时刻，然后人工输入或者根据延迟时间谱线选择延迟时间和符合分辨时间参数，用计算机软件挑选出多个通道之间在符合分辨时间之内的符合脉冲信号，形成多参数核谱。一般情况下，可以选择延迟时间谱线宽度为符合分辨时间。通过比较图1和图2，可以明显看出采用本实施例提供的三通道数字符合多道系统大大简化了测量所需要的设备。
上述采样ADC采用ADI公司的AD9244-40，采样速度为40MSPS，14位分辨率。对应模拟线路的参数为，延迟时间和符合分辨时间的时间分辨力为25ns，多道为16k道。可以满足除超快符合外的多参数高分辨核谱测量要求。ADC前端使用ADI公司专用的差分驱动放大器AD8138，实现对ADC的良好驱动，保证ADC的性能。设计AD8138的输入可接受0～10V的脉冲信号，符合核谱测量中放大器输出信号范围。
每个信号通道使用一片Lattice公司的CPLD，型号为LC4512V，具有大容量512宏单元，可在线重复多次编程。DSP采用TI公司的TMS320VC5409PGE100，是一个16位定点DSP。DSP的运算程序采用C语言编写，每次使用时从计算机上传，这样针对不同的任务，可以使用不同的脉冲处理算法，例如，可以对脉冲幅度、到达时间、脉冲宽度、脉冲上升时间等进行处理。
各通道的计时单元由其各自的CPLD内部逻辑单元构成实时时钟计数器。各个信号通道的实时时钟计数器由同一时钟源驱动，并由同一信号控制各个实时时钟计数器开始工作，因此可确保各个通道时钟走时准确无误。
PCI控制部分用美国TI公司的PCI2040作为PCI桥，无需任何逻辑可以与4个TI公司DSP连接。
图4、5、6为采用本实施例提供的三通道数字符合多道系统作为中子能谱测量的3He夹心谱仪多参数数据获取系统，用241Am发射α粒子测试3He夹心谱仪的结果。3He夹心谱仪由上下两个Si探测器和3He正比计数器组成，需要测量三个探测器输出的信号的符合核谱。241Am发射α粒子穿过气体正比计数器，并进入Si探测器。因此可以测量到正比计数器分别与两个Si探测器的符合计数。图4，5是横坐标为脉冲幅度，纵坐标为计数。测量能谱与采用模拟线路相当。图6的横坐标是时间，道宽的25ns，纵坐标为计数。传统的模拟线路，采用TAC测量得到的延迟时间谱的谱峰峰位在3.6μs，半高宽500ns；本实施例提供的三通道数字符合多道系统的测量峰位在1.25μs，半高宽为750ns。峰位的差异是由于采用TAC测量使正比计数器的信号经过了一个单道，因此延迟时间会更长。半高宽的差异主要是因为正比计数器信号经过单道的下阈取得较高，而数字符合计算时没有取下阈。
以上内容是结合优选的实施例对本发明所做的具体说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于这些说明。根据具体测量内容的需要，还可以根据本实施例所提供的技术方案实现四通道数字符合多道系统。对本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和变换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种用于核谱学及核电子学的数字符合多道系统，利用ADC采样，其特征在于：各通道之间采用同一时钟源以保证采样ADC的时钟同步，信号处理器采用CPLD和DSP，各通道的计时单元由其各自的CPLD内部逻辑单元构成实时时钟计数器，各个信号通道的实时时钟计数器由所述的同一时钟源驱动，将每个通道采集到的脉冲信号波形由信号处理器实时处理，得到该脉冲信号的幅度和到达时刻并保存到计算机中；测量结束后，从计算机保存的数据中读出每个通道的每个脉冲的脉冲幅度和到达时刻，然后根据延迟时间谱线选择延迟时间和符合分辨时间参数，用计算机软件挑选出多个通道之间在符合分辨时间之内的符合脉冲信号，形成多参数核谱。
2.根据权利要求1所述的数字符合多道系统，其特征在于：所述ADC为高速高分辨率采样ADC，分辨率为14位以上，采样速度为40MSPS以上；ADC前端使用差分驱动放大器AD8138驱动采样ADC。
3.根据权利要求1所述的数字符合多道系统，其特征在于：所述CPLD容量为512宏单元以上，可在线重复多次编程；DSP采用16位以上定点DSP，使用相应的脉冲处理算法可以对脉冲的幅度、宽度、到达时刻和脉冲上升时间进行处理。
4.根据权利要求1-3任一权利要求所述的数字符合多道系统，其特征在于：所述数字符合多道系统的通道数为3至4个。
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