CN103257357A - 一种简化数字符合多普勒展宽谱仪 - Google Patents

Abstract

一种简化数字符合多普勒展宽谱仪是在计算机中设置有数字多普勒展宽谱分析绘制系统，高压电源是高纯锗光电探测器输出高压，高纯锗光电探测器接受正电子湮没辐射伽马光子，将光能转换为电能并输出正比于伽马光能量的脉冲，然后输出至数字采集卡，数字采集卡对脉冲进行采样并转化为数字信号输入计算机中，由数字符合多普勒展宽谱分析绘制系统分析处理脉冲后，绘制成符合多普勒展宽谱。本发明元部件少，运输方便，极易组装和使用。该简化数字符合多普勒展宽谱仪比传统的符合多普勒展宽谱具有更好的能量分辨率和计数率，并具有较低的总价，因而具有很高的性价比。

Description

一种简化数字符合多普勒展宽谱仪

技术领域 

本发明涉及一种多普勒展宽谱仪，具体地说，是一种包含有计算机和数字采集卡，以及两个相对设置的高纯锗光电探测器和高压电源的简化数字符合多普勒展宽谱仪。

背景技术  

正电子湮没技术是表征材料微观结构的灵敏探针，在凝聚态材料研究中有着极为广泛的应用。正电子多普勒展宽谱测量方法，能够反映材料缺陷处电子动量分布，因而已经成为一种常规的微结构表征手段。传统的符合多普勒展宽谱仪最早由美国Lynn等人于1977年提出并实现，得到了比单探头多普勒谱仪更高的峰本比，因而能应用于研究具有高动量的核芯电子动量分布，但在很长一段时间内一直未受到科学研究的重视，直到美国P.Asoka-Kumar等人利用符合多普勒展宽谱仪成功鉴别材料缺陷周围的元素成分后，才受到广泛关注。许多正电子研究组都相继发展出基于双探头的符合多普勒展宽谱仪。符合多普勒展宽谱仪主要由两个高纯锗光电探测器，两个高压电源，两个主放大器，双模数转换器，多参数分析器，计算机以及若干导线组成。由于这种传统的符合多普勒展宽谱仪电子元器件较多，对信号处理的精度和速度不够高，且因系统复杂调试不够方便，并具有较高的总价等原因，亟待有一种数字一体化设备能够替代传统的符合多普勒展宽谱仪，能完成所传统谱仪所需的测试功能。目前，国际上已经有一些研究小组在将符合多普勒展宽谱仪器数字化升级上做过一些尝试，并得到了一些改进，如：通过数字信号处理能更灵活、有效地对脉冲进行定时和能量分析，降低噪声，提高峰本比，得到更好的能量分辨率；通过数字化处理，能将数字信号存储下来，供离线反复分析得到更优的实验结果。国内中国科技大学和中科院高能物理研究所在符合多普勒展宽谱仪改进上也进行过一些积极的探索研究，中科大于2004年最早发展出数字式符合多普勒展宽谱仪，他们先将高纯锗探头的信号输入至主放大器中，然后将主放大器的信号输送至数据采集卡中，通过对数据采集卡采集的信号进行数字信号处理绘制成多普勒展宽谱。随着数字技术的发展，数字采集卡的处理能力更强、精度更高、价格也更低廉，对设备整体数字化提出了更高的要求。以上符合数字多普勒展宽谱仪中都采用了主放大器来实现对脉冲滤波整形或用于外部符合触发，主放大器的作用主要是提高信号信噪比，并将信号放大便于数字采集卡分辨，但显然增加了系统的硬件成本和复杂度。目前，高性能数字采集卡已经能够很好的分辨弱脉冲信号，并具有极快的处理速率，因而通过软件滤波处理可替代主放大器的功能；而且数字采集卡能同时进行多通道采样，可以实现软件自符合触发，因而能替代主放大器的外部符合触发功能。鉴于以上因素，本发明提出一种简化的数字符合多普勒展宽谱仪器，采用软件方法替代了主放大器的脉冲滤波整形，并将外部符合触发设置为内触发，使得仪器结构极为简单，造价低廉，并通过软件方法对脉冲进行整形滤波使得谱仪具有较好的计数率和能量分辨率，因而该数字谱仪具有良好的性价比。

发明内容

本发明所要解决的具体技术问题是设计一种简化数字符合多普勒展宽谱仪，这种多普勒展宽谱仪的特点是：能得到高的计数率和能量分辨率，使用元部件极少，集成度高，方便运输和组装，长期稳定性好，具有较低的总价。

 本发明所设计的一种简化数字符合多普勒展宽谱仪，包含有计算机、数字采集卡、光电探测器和高压电源；其特征在于：

所述计算机是设置有数字多普勒展宽谱分析绘制系统；所述高压电源是高纯锗光电探测器输出高压，高纯锗光电探测器接受正电子湮没辐射伽马光子，将光能转换为电能并输出正比于伽马光能量的脉冲，然后输出至数字采集卡；数字采集卡对脉冲进行采样并转化为数字信号，然后输送至计算机中，由数字符合多普勒展宽谱分析绘制系统分析处理脉冲后，绘制成符合多普勒展宽谱。

在上述技术方案中，进一步的附加技术特征在于：

所述数字采集卡是光电探测器输送至数字采集卡的脉冲经过波形采集单元后进入模数转换模块，模数转换模块对脉冲采样后将连续脉冲转换为离散的数字信号，然后经数据缓存模块送入计算机存储单元。

所述数字符合多普勒展宽谱分析绘制系统是从计算机存储单元中提取波形脉冲后，对波形脉冲进行滤波和脉冲幅度统计分析后生成多符合多普勒展宽谱。

所述波形脉冲进行滤波是采用梯形回归滤波方法将锯齿形的脉冲滤波成为标准的等腰梯形脉冲，通过统计梯形脉冲高度分布得出多普勒展宽能谱，并在对两通道信号进行符合分析，将得到二维符合多普勒展宽谱。

本发明上述的数字符合多普勒展宽谱仪，与现有技术相比，具有突出的实质性特点在于：一是该简化数字符合多普勒展宽谱仪元部件少，运输方便，极易组装和使用。二是该简化数字符合多普勒展宽谱仪比传统的符合多普勒展宽谱仪具有更高的能量分辨率和计数率。三是总成本价格更加低廉，具有极高的性价比。

附图说明

图1 为本发明实施例的结构示意图。

图2是本发明实施例的数字多普勒展宽谱分析绘制系统流程图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。  

实施本发明所提供的一种简化数字符合多普勒展宽谱仪，这种多普勒展宽谱仪的技术方案分为硬件实现和软件编程两部分：一是所述简化数字符合多普勒展宽谱仪的硬件部分包含包含计算机，数字采集卡，两个相对设置的高纯锗光电探测器和高压电源，所述计算机是装有数字多普勒展宽谱分析绘制系统，高压电源为高纯锗光电探测器输出高压，高纯锗光电探测器接受正电子湮没辐射伽玛光子，将光能转换为电能并输出正比于伽玛光能量的波形脉冲，然后输出至数字采集卡，数字采集卡对波形脉冲进行采样并转化为数字信号，然后输送至计算机中，由符合数字多普勒展宽谱分析绘制系统分析处理脉冲后，绘制成符合多普勒展宽谱。二是所述简化数字符合多普勒展宽谱仪的软件编程，即数字符合多普勒分析绘制系统，含控制数字采集卡在指定采样率和采用模式下采集从探测器输出的信号，然后对采集的数字信号缓存、输运、去堆积分析处理及数字滤波，最后对脉冲进行能量分析和脉冲定时，得到相应的能谱分布和绘制二维符合多普勒展宽谱。

而且，所述数字采集卡包含波形数据采集、模数转换、数据缓存模块，高纯锗光电探测器的信号直接输送至数字采集卡中，脉冲经过波形采集单元后进入模数转换模块，模数转换模块对脉冲采样后将连续脉冲转换为离散的数字信号，然后经数据缓存模块送入计算机存储单元；所述数字多普勒分析绘制系统从计算机存储单元中提取波形脉冲并分析处理，绘制成符合多普勒展宽谱。所述数字数字符合多普勒展宽谱仪相比其它数字符合多普勒展宽谱仪未采用主放大器，主放大器的脉冲成型功能由软件数字滤波方法替代；而且信号触发采用软件触发替代外部硬件触发模式，从而使得谱仪整体结构简单，信号处理更加灵活、高效。

而且，所述数字符合多普勒展宽谱分析绘制系统从计算机存储单元提取波形脉冲后，对波形脉冲进行滤波后和脉冲幅度统计分析后生成符合多普勒展宽谱。

而且，所述脉冲滤波的实现方式为，采用梯形回归滤波方法将锯齿形的脉冲滤波成为标准的等腰梯形脉冲，然后通过统计梯形脉冲高度分布得到多普勒展宽能谱，并在对两通道信号进行符合分析，将得到二维符合多普勒展宽谱。

而且，所述梯形回归滤波方法过程如下：

其中v(n)为第n个采样点幅值，k对应等腰梯形的上升沿，l对应上升沿与上底之和，且当n<0时，v(n)、p(n)、r(n)、s(n)恒等于0，参数M依赖于脉冲衰减时间常数和采样周期，可以通过观察滤波后的梯形对称性来调节。

上述实施方案简化了数字符合多普勒展宽谱仪元部件，实现了组装和使用的方便快捷，而且具有更高的能量分辨率和计数率，总成本价格更加低廉，具有极高的性价比。

 以下结合附图和实施例进一步详细说明本发明的技术方案。

参照图1和图2，实施例的简化数字符合多普勒展宽谱仪，包含计算机，数字采集卡，两个相对设置的高纯锗光电探测器、高压电源。高纯锗光电探测器接受正电子湮没辐射伽玛光子，将光能转为电能并输出正比于伽玛光能量的脉冲，并将其输送至数字采集卡。两个相对设置的高纯锗光电探测器，分别探测一对湮没伽玛光，即符合湮没事件。高纯锗光电探测器需在低温环境下稳定工作，工作时通过加液氮冷却高纯锗光电探测器。高压电源连接到两个高纯锗探测器的供电端，以供加速电压。

数字采集卡和计算机结合成一个整体，设计上主要含硬件和软件两个方面。实施例的硬件部分包含波形数据采集、模数转换、数据缓存及数据存储，波形采集、模数转换和数据缓存在数字采集卡中完成，数据存储是通过将数字采集卡中的数据转移至计算机存储单元中，以供数字符合多普勒展宽谱分析绘制系统处理。光电探测器将电信号脉冲输送至数字采集卡进行信号采集，并送入模数转换模块，模数转换模块将脉冲从模拟信号转换为数字信号，并存于数据缓存模块，然后通过PCI总线传输至计算机数据存储模块。各模块的具体实现属于电路常规技术，本发明不予赘述。实施例的软件方面提供了数字符合多普勒展宽谱分析绘制系统，具体来说，该系统的功能是控制数字采集卡工作模式，并从数据存储模块中提取波形脉冲进行分析处理，绘制成符合多普勒展宽谱图。

    本发明进一步提出，数字符合多普勒展宽谱分析绘制系统从数据存储模块中提取脉冲后，在对脉冲进行滤波和幅度分析后，才生成符合多普勒展宽谱图。所述滤波过程的实现方法为，取一段数字波形数据，利用回归梯形滤波方法对其进行滤波，经过滤波后的脉冲变为等腰梯形脉冲，因脉冲幅度正比于能量大小，通过统计梯形脉冲的高度分布，将得到其能谱分布图，此即一维多普勒展宽谱图。若在一限定时间内（小于3 us，即符合时间），两个高纯锗探测器分别探测到一个脉冲，此即被认为是符合事件，若同时统计两探测器脉冲的幅度，并将两探头的脉冲幅度分布在x、y轴的上绘二维图，将得到二维符合多普勒展宽谱图。

实施例选用了两个高纯锗光电探测器，其中每个探测器都能单独收集多普勒展宽能谱，但通过双探头符合模式，将会提高能谱的峰本比，从而提高其能量分布率。N_a22源在β+衰变时发射一个1.274M_eV的γ光子，在单探头能谱上该γ光子的分布将显示出一个窄的光电峰，由于康普顿效应，在能谱左侧会出现康普顿肩。正电子入射到材料中经过扩散慢化后，被中性或负电性空位缺陷捕获，并最终与该处电子湮没发射两个0.511M_eV的γ光子。这两个湮没γ光子在质心系下是一条直线，朝相反方向射出。在实验室坐标系下，由于多普勒展宽谱效应，两γ光子的能量分别增ΔE和ΔE减。由于0.511M_eV的γ光子的多普勒能移，通过高纯锗光电探测器的0.511M_eV光电峰将变宽变矮，其形变程度与ΔE相关。在双探头符合模式下，当两个探头探测的γ光子能量满足E1+E2=1022k_eV+δ时（E1、E2分别为两探头的γ光能量，δ为能量阀值，较小），被认为是符合湮没，这样将大大降低探测到的偶然湮没事件，从而提高仪器分布本领。

两个高纯锗光电探测器将γ光能量转换为电能量，分别输出正比与γ光能量的电脉冲，并将脉冲信号输送至数字采集卡的两个输入通道。数字采集卡工作在软件触发模式，这样在无外触发情况下，每次数据更新，信号能自动存于缓存单元，因采集信号都由一个时钟同步，两个通道信号是同步采集的，即易于作时间符合判断。工作过程中，存在数字卡缓存中的数据传输、处理和更新受数字符合多普勒展宽谱分析绘制系统控制。利用数字符合多普勒展宽谱分析绘制系统，能方便的将两通道信号从数据存储单元中提取出，并进行脉冲滤波和脉冲幅度分析。

为了方便实施，本发明建议如下：

1．数字采集卡宜采用高分辨精度、高存储深度和较高采样率的数字采集卡；

2．伽玛光探测器宜采用具有良好能量分辨率的高纯锗光电探测器；

3.在数字采集卡设置中，宜根据脉冲幅度大小合理设置采集卡幅度范围，尽可能让脉冲幅度分析具有最大的精度；

4.对从探头输送至采集卡的信号，要先进行脉冲滤波，此处采用梯形回归滤波法，在合理设置梯形上升长度和宽度后，将可以得到较好的等腰梯形，从而能得到更准确的能谱。

Claims (4)

1.一种简化数字符合多普勒展宽谱仪，包含有计算机、数字采集卡、光电探测器和高压电源；其特征在于：

所述计算机是设置有数字多普勒展宽谱分析绘制系统；所述高压电源是高纯锗光电探测器输出高压，高纯锗光电探测器接受正电子湮没辐射伽马光子，将光能转换为电能并输出正比于伽马光能量的脉冲，然后输出至数字采集卡；数字采集卡对脉冲进行采样并转化为数字信号，然后输送至计算机中，由数字符合多普勒展宽谱分析绘制系统分析处理脉冲后，绘制成符合多普勒展宽谱。

2.根据权利要求1所述的简化数字符合多普勒展宽谱仪，其特征在于：

所述数字采集卡是光电探测器输送至数字采集卡的脉冲经过波形采集单元后进入模数转换模块，模数转换模块对脉冲采样后将连续脉冲转换为离散的数字信号，然后经数据缓存模块送入计算机存储单元。

3.根据权利要求1所述的简化数字符合多普勒展宽谱仪，其特征在于：

所述数字符合多普勒展宽谱分析绘制系统是从计算机存储单元中提取波形脉冲后，对波形脉冲进行滤波和脉冲幅度统计分析后生成多符合多普勒展宽谱。

4.根据权利要求3中所述的简化数字符合多普勒展宽谱仪，其特征在于：

所述波形脉冲进行滤波是采用梯形回归滤波方法将锯齿形的脉冲滤波成为标准的等腰梯形脉冲，通过统计梯形脉冲高度分布得出多普勒展宽能谱，并在对两通道信号进行符合分析，将得到二维符合多普勒展宽谱。

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