基于重心法多丝正比室探测器读出电子学研究

摘要

中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source，CSNS)是一种基于先进加速器技术的先进中子源，它主要由一台80 MeV负氢直线加速器、一台1.6 GeV快循环质子同步加速器及其前后两条束流传输线、一个靶站和三台中子谱仪及相应的配套设施组成。三台谱仪包含了多功能反射仪、小角散射仪和高通量粉末衍射仪。作为发展中国家的第一台散裂中子源，建成后将和正在运行的美国、日本与英国散裂中子源一起，构成世界四大脉冲散裂中子源，这将大为提升我国基础研究和高技术水平，缩短我国与世界前沿30年的差距。
　　本论文针对于多功能反射仪中用到的多丝正比室探测器(MWPC)进行了判定粒子二维位置和读出电子学系统设计方案与实现的研究。当中子进入多丝正比室，与充满室内的3He气体作用，将产生电子和正离子等次级粒子，电子在阳极丝附近雪崩形成的正离子云向阴极漂移，两阴极面上将会产生感应电荷，各个通道的电荷大小与原初产生电离的电子位置有关，只需测量出各个通道的电荷量大小，再采用重心法就能估算出电子发生雪崩的二维位置。本设计一共包含150个通道，能够测量探测器X方向50个通道，Y方向100个通道。系统以FPGA作为数据处理核心，包含模拟信号输入模块、模数转换模块和网络输出模块的电路板。模拟信号输入级采用电荷灵敏前置放大器，对探测器输出的微弱电流信号进行积分，再经过滤波成型处理，使之成为准高斯波形，控制合适的放大倍数，此时将输出一个与电荷量成正比的电压信号，并满足模数转换器(ADC)的输入要求。通过ADC对模拟信号采样，使之转换成为数字信号，再对该数字信号进行寻峰操作，取得的峰值大小即为电荷量。为提高数据处理能力，本设计使用了两块FPGA，采用子母板结构，子板FPGA对数据进行寻峰操作，母板FPGA对数据进行编号并打包，通过TCP/IP网络协议将数据送到PC机进行下一步的处理。
　　探测器发送出来的电信号十分微弱，为方便对信号的处理，必须要对信号进行放大。本设计采用电荷灵敏前置放大器能够有效的将信号进行积分和初步放大，并采用8路输入的ADC，满足设计要求的同时，也能降低设计成本，使用两块FPGA能够降低硬件负荷，提高设计的可靠性。相对于只需判断过阈的传统多丝室读出电子学系统，本设计需要精确读出电荷值大小，设计上更为复杂，但精确度也更高，将具有十分重要的理论与实际意义，为以后的工程实践奠定了良好的基础。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．1．1 小角散射仪

1．1．2高通量粉末衍射仪

1．1．3 多功能反射仪

1．2 读出电子学系统国内外研究现状和发展趋势

1．3 论文主要内容以及结构安排

第2章 读出电子学系统的设计方案选择

2．1 多丝正比室结构及原理

2．1．1 数字法

2．1．2 延迟线法

2．1．3 重心法

2．2 电子学系统触发信号的选择

2．2．1 单点触发

2．2．2 内触发

2．2．3 外触发

2．3 系统设计指标以及方案确定

2．4 本章小结

第3章 系统硬件及FPGA囤件程序设计

3．1 硬件电路设计

3．1．1 模拟电路设计

3．1．2 数字电路设计

3．2 FPGA固件程序设计

3．2．1 基于ISE的开发流程

3．2．2 串并转换程序设计

3．2．3 电荷寻峰程序设计

3．2．4 子母板的数据通信

3．2．5 数据的编号与打包

3．2．6 数据与TCP／IP协议IP核输入端的匹配设计

3．3 本章小结

第4章 系统性能测试

4．1 波形重建测试

4．2 电荷分辨σQ的测试

4．3 积分非线性INL的测试

4．4 本章小结

总结与展望

参考文献

附录

致谢