CN109709595B

CN109709595B - 多参数时间同步谱仪数据获取系统及其应用

Info

Publication number: CN109709595B
Application number: CN201910075069.3A
Authority: CN
Inventors: 李勍; 胡传皓; 曾国强; 杨小峰; 侯杨; 盛磊; 卿松; 严磊; 顾民
Original assignee: Chengdu Univeristy of Technology
Current assignee: Chengdu Univeristy of Technology
Priority date: 2019-01-25
Filing date: 2019-01-25
Publication date: 2020-12-29
Anticipated expiration: 2039-01-25
Also published as: CN109709595A

Abstract

本发明属于核辐射探测技术领域，具体涉及一种多参数时间同步谱仪数据获取系统及其应用，包括N组子系统和一个多路同步时钟发生器与触发器；每个子系统包括辐射场混合探测器阵列、多通道谱仪箱、上位机；辐射场混合探测器阵列内包括多个探测器，多通道谱仪箱内包括控制主板、多个嵌入式谱仪板卡；多个嵌入式谱仪板卡分别与控制主板连接；每个探测器分别与每个嵌入式谱仪板卡连接；控制主板与上位机连接；每个子系统的控制主板均与多路同步时钟发生器与触发器连接。本发明提供适用于多类型探测器、多参数同步复合测量的要求；同时完成粒子入射探测器ID、粒子时刻、粒子能量、粒子信号上升时间、粒子信号下降时间等多参数测量。

Description

多参数时间同步谱仪数据获取系统及其应用

技术领域

本发明属于核辐射探测技术领域，具体涉及一种多参数时间同步谱仪数据获取系统及其应用。

背景技术

目前的核物理试验、核数据参数以及各种核技术应用场合，往往需要同时使用多种不同类型的核辐射探测器从而实现特定的测量功能，包括高纯锗半导体探测器、无机闪烁体探测器、液体闪烁探测器以及气体探测器，不同类型的探测器在测量系统中发挥不同的作用，有些探测器譬如高纯锗探测器(HPGe)主要测量其高分辨率能谱，有些探测器(液闪)则测量其射线到达的时间，有些探测器(NaI)则主要测量康普顿散射；为此有必要研制多通道可针对不同类型探测器，实现对射线物理参数完整测量的系统。

传统的核辐射探测系统的数据采集与获取系统主要是基于能谱采集模式，显然这种模式只能针对特定需求的应用场合，当需求发生微小变化，譬如由符合系统更改为反符合系统，则需要重新更改硬件与软件系统设计才能满足要求。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种多参数时间同步谱仪数据获取系统，针对核物理试验、核数据参数测量以及各种核技术应用场合，严格时间同步的多采样率(包括80Msps、250Msps、500Msps等)并行嵌入式谱仪板卡，可以针对不同类型探测器混合使用条件下，实现粒子入射探测器ID、粒子时刻、粒子能量、粒子信号上升时间、粒子信号下降时间等多参数同步测量的要求。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

多参数时间同步谱仪数据获取系统，包括N组子系统和一个多路同步时钟发生器与触发器；每个子系统包括辐射场混合探测器阵列、多通道谱仪箱、上位机；所述的辐射场混合探测器阵列内包括多个探测器，所述的多通道谱仪箱内包括控制主板、多个嵌入式谱仪板卡；多个嵌入式谱仪板卡分别与控制主板连接；每个探测器分别与每个嵌入式谱仪板卡连接；控制主板与上位机连接；每个子系统的控制主板均与多路同步时钟发生器与触发器连接。

其中，所述的控制主板，主要包括FPGA数据处理电路、时钟同步分配电路、ARM控制电路以及USB3.0高速通信电路，FPGA数据处理电路与USB3.0高速通信电路连接；时钟同步分配电路与ARM控制电路连接；FPGA数据处理电路、时钟同步分配电路均分别与多个嵌入式谱仪板卡连接；时钟同步分配电路、ARM控制电路分别与多路同步时钟发生器与触发器连接；USB3.0高速通信电路与上位机连接；控制主板为嵌入式谱仪板卡提供同步时钟及触发信号，同时将各个嵌入式谱仪板卡并行连接，接收并处理由嵌入式谱仪板卡采集的粒子信息数据，最终将各通道粒子数据打包，经高速USB3.0接口传输到上位机，进行实时分析与存储。

本发明提供的多参数时间同步谱仪数据获取系统，用于入射粒子信息的测量，包括粒子入射探测器ID、粒子时刻、粒子能量、粒子信号上升时间、粒子信号下降时间参数信息。

本发明提供的多参数时间同步谱仪数据获取系统具有以下有益效果：

(1)采用多通道、多采样率谱仪板卡对不同核辐射探测器信号进行测量，克服了传统单通道谱仪只具有单一采样率，只能针对特定需求的应用场合，无法适用于多类型探测器、多参数同步复合测量的要求；

(2)提供了能够实现粒子多参数信息测量的脉冲处理系统，同时完成粒子入射探测器ID、粒子时刻、粒子能量、粒子信号上升时间、粒子信号下降时间等多参数测量，克服了传统谱仪系统单次测量只能获取单一测量参数的缺点；

(3)提供了多通道谱仪控制主板系统，实现了多板卡多参数测量系统数据处理功能，克服了传统多通道系统仅适用于多路模拟信号测量，无法实现多路数字化核信号测量的要求；

(4)提供了基于粒子事件测量的上位机软件，通过多谱仪数据离线组合分析技术，建立包含数据测量时间的数据库，对完整测量过程进行记录，克服传统多通道系统无法实现测量数据的实时保存，离线组合测量分析的功能。

附图说明

图1为本发明系统结构框图；

图2为实施例的80Msps嵌入式谱仪板卡粒子时间提取时序；

图3为实施例的250Msps、500Msps嵌入式谱仪板卡粒子时间提取时序；

图4为实施例的基于时间戳的粒子时刻信息提取时序；

图5为实施例的基于时间戳的粒子信号上升时间、下降时间提取时序；

图6为实施例的数据组合分析结构图。

具体实施方式

为使本发明之目的和方案详细明了，下面通过具体的实施例对本发明进一步进行阐述，但不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，多参数时间同步谱仪数据获取系统，包括N组子系统和一个多路同步时钟发生器与触发器；每个子系统包括辐射场混合探测器阵列、多通道谱仪箱、上位机；所述的辐射场混合探测器阵列内包括多个探测器，所述的多通道谱仪箱内包括控制主板、多个嵌入式谱仪板卡；多个嵌入式谱仪板卡分别与控制主板连接；每个探测器分别与每个嵌入式谱仪板卡连接；控制主板与上位机连接；每个子系统的控制主板均与多路同步时钟发生器与触发器连接。

该系统可根据实际应用场合，任意配备各嵌入式谱仪板卡的采样率和数量，构成不同的谱仪数据获取系统。最终通过N组上位机软件与谱仪实现高速数据双向通信，完成对每个测量通道的粒子入射探测器ID、粒子时刻、粒子能量、粒子信号上升时间、粒子信号下降时间等多参数测量。为保证谱仪处理系统各通道并行嵌入式谱仪板卡的同步性，采用同步时钟发生器与触发器为整个系统提供精准的同步时钟。

该系统中，可将不同采样率(包括80Msps、250Msps、500Msps等)的嵌入式谱仪板卡任意组合，其中80Msps采样率测量通道为高分辨率能谱测量通道，硬件ADC分辨率为16bit，可对数据进行复杂的成形算法，从而提取更准确的粒子能量信息，因此适用于HPGe、PIPS、SDD等高分辨率核辐射探测器；500Msps采样率测量通道为高时间分辨率测量通道，硬件ADC分辨率为12bit，由于其采样率较高，因此时间精度较高，可实现高时间分辨测量，因此适用于液体闪烁探测器等快速时间响应探测器；250Msps采样率测量通道为兼顾能量分辨率与时间分辨率的测量通道，硬件ADC分辨率为14bit，其具有适中的能量分辨率及时间分辨率，因此适用于NaI、CsI、CeBr₃等无机闪烁体探测器。

对于上述控制主板主要包括FPGA数据处理电路、时钟同步分配电路、ARM控制电路以及USB3.0高速通信电路，FPGA数据处理电路与USB3.0高速通信电路连接；时钟同步分配电路与ARM控制电路连接；FPGA数据处理电路、时钟同步分配电路均分别与多个嵌入式谱仪板卡连接；时钟同步分配电路、ARM控制电路分别与多路同步时钟发生器与触发器连接；USB3.0高速通信电路与上位机连接；控制主板为嵌入式谱仪板卡提供同步时钟及触发信号，同时将各个嵌入式谱仪板卡并行连接，接收并处理由嵌入式谱仪板卡采集的粒子信息数据，最终将各通道粒子数据打包，经高速USB3.0接口传输到上位机，进行实时分析与存储。

由于同步时钟信号的精度对谱仪系统的同步性具有较大影响，因此该系统采用专用时钟芯片构成时钟发生器，时钟和不同谱仪之间通过等长线反馈连接，使时钟发生器的输出与参考输入同步，从而保证数据处理时，各粒子数据能够在同一时刻进行对齐和合成。

以下说明利用该系统进行多参数粒子信息测量：

多参数时间同步谱仪数据获取系统可实现入射粒子信息的测量，包括粒子入射探测器ID、粒子时刻、粒子能量、粒子信号上升时间、粒子信号下降时间等。下边将对各主要参数的测量过程进行说明：

1、粒子能量信息提取

80Msps嵌入式谱仪板卡内置快慢双通道数字成型器，其中慢通道采用有限尖顶成形算法实现优异的滤波降噪效果，提高测量准确度用于准确计算核脉冲信号的幅度值信息，从而保证其具有优异的能量分辨率。250Msps与500Msps嵌入式谱仪板卡通过数字电荷积分算法实现粒子能量信息提取，可对粒子能量信息进行快速测量。

2、粒子时刻信息提取

80Msps嵌入式谱仪板卡中，快通道采用对称零面积成形算法，通过快通道实现粒子时刻触发，如图2所示；

250Msps与500Msps嵌入式谱仪板卡，采用数字式恒比定时器(DCFD)实现低抖动的时间信号甄别，其实现过程如图3所示：原始波形分别经延时和衰减后，通过数字比较器输出高精度触发信号。

上述触发信号可在时间戳模块中实现粒子时刻信息提取，其实现过程如下：高精度时间同步参考信号经PLL倍频后作为时间戳模块的参考时钟，通过FPGA内部的高速加法器实现时间值计数，完成时间戳功能，当某时刻有触发信号时，时间信息获取模块能够根据读取当前时刻的时间戳值，从而获取粒子时间信息，其实现过程如图4所示。

3、粒子信号上升时间、下降时间提取

通过对原始信号波形进行直接采样分析，以时间戳为时间标记，可实现粒子上升时间、下降时间提取，其实现过程如图5所示：FPGA中上升沿和下降沿触发模块分别对粒子脉冲信号的上升和下降沿进行判断，输出对应触发信号，并通过时间戳模块对该触发信号进行计数，从而提取对应的上升时间和下降时间值。由于250Msps和500Msps嵌入式谱仪板卡采样率高，同步误差较小，单位时间内采集的点数较多，对粒子时间信息的提取效果较好。

本发明提供的多参数时间同步谱仪数据获取系统，将多通道数字谱仪进行组合，可实现超多通道粒子数据离线组合分析功能，建立包含数据测量时间的数据库，对完整测量过程进行记录，其实现原理如图6所示：多个多通道谱仪同时工作，由时钟与触发器为多谱仪系统提供同步时钟和触发信号，其中每个谱仪都能够分别获取完整的多参数粒子信息，上述粒子信息可在PC机中存储，建立数据库。在完成一次数据测量后，将多台PC机上数据库拷贝到同一台计算机上，通过对数据库中粒子时间信息的对应，完成数据的组合分析。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.多参数时间同步谱仪数据获取系统，其特征在于，包括多组子系统和一个多路同步时钟发生器与触发器；

每个子系统包括辐射场混合探测器阵列、多通道谱仪箱、上位机；

所述的辐射场混合探测器阵列内包括多个探测器，所述的多通道谱仪箱内包括控制主板、多个嵌入式谱仪板卡；多个嵌入式谱仪板卡分别与控制主板连接；

所述的多个嵌入式谱仪板卡选择不同的采样率进行组合；

每个探测器分别与每个嵌入式谱仪板卡连接；

控制主板与上位机连接；

每个子系统的控制主板均与多路同步时钟发生器与触发器连接；

所述的控制主板，主要包括FPGA数据处理电路、时钟同步分配电路、ARM控制电路以及USB3.0高速通信电路，FPGA数据处理电路与USB3.0高速通信电路连接；时钟同步分配电路与ARM控制电路连接；FPGA数据处理电路、时钟同步分配电路均分别与多个嵌入式谱仪板卡连接；时钟同步分配电路、ARM控制电路分别与多路同步时钟发生器与触发器连接；USB3.0高速通信电路与上位机连接；控制主板为嵌入式谱仪板卡提供同步时钟及触发信号，同时将各个嵌入式谱仪板卡并行连接，接收并处理由嵌入式谱仪板卡采集的粒子信息数据，最终将各通道粒子数据打包，经高速USB3.0接口传输到上位机，进行实时分析与存储。

2.根据权利要求1所述的多参数时间同步谱仪数据获取系统的应用，其特征在于，用于入射粒子信息的测量，包括粒子入射探测器ID、粒子时刻、粒子能量、粒子信号上升时间、粒子信号下降时间参数信息。