数字化核谱仪关键技术研究

摘要

核物理从各种入射粒子带有的特征的测量来进行各种实验研究。传统的核物理都采用模拟方式来处理探测器输出的电信号，数字化技术主要用在数据的最后获取和存储当中。
　　在核物理或者是高能物理等实验研究中，粒子的动量，能量，时间量和空间位置一直是大家比较关心的物理参量，通过分析和处理探测器的输出电信号，从而分析出核反应核信号的信息。其中，能量和时间是实验所需最基本也是最重要的信息，如何快速获得高精度的能谱和时间谱也是核测量领域非常重要的课题之一。
　　随着高速ADC和数字化微处理器的迅速发展，数字处理技术在粒子物理与核物理领域得到了广泛的运用。核辐射探测器输出的电信号经过数字化之后，经过数字处理分析得到实验所需的信息。相比传统的模拟方法，数字化处理方法具有更高的灵活性，可以方便处理系统的重构以适应不同信号的需求，降低了系统设计的难度简化了系统结构。该技术将探测器出来的信号尽可能早的将信号数字化，增强了系统的抗干扰能力。这些优势都推进了数字处理技术的不断发展。
　　一套通用的数字化核谱仪系统包括波形模拟成形、波形数字化、数字化信息处理与数据获取几个模块。本文设计的数字化核谱仪系统将输入的探测器信号经过放大、极零相消、Bessel滤波和单端转差分的模拟成形处理后，尽早的将波形数字化，在FPGA中进行FIR滤波、触发判选、去基线、求幅值与时间差算法的一系列数字处理，最终通过上位机控制将结果由USB或以太网上传至主机当中。
　　其中数字部分算法中时间差计算采用的是数字恒比定时方法，它的实现是由DSP builder设计完成，DSP builder是Altera公司推出的便于数字算法实现的设计工具，是一个系统级的设计工具，它将系统级和RTL级两个设计领域的设计工具连接起来，在MATLAB/Simulink中进行算法设计，最终转换成硬件描述语言在FPGA中并行处理，速度快，结构简化，所以我们采用二者相结合的方法。
　　由于网络很大的方便了离散数据的采集和处理数据，给数据传输节省了许多资源。所以本文数据上传部分不仅使用传统USB方式上传，还设计了以太网传输接口，采用Wiznet公司的W5300芯片，使用TCP/IP协议进行数据传输。
　　本论文主要的工作和创新点如下:
　　1.设计了一个数字化核谱仪系统，用FPGA实现了在线触发、FIR滤波等处理过程，由DSP builder设计峰值提取和时间差计算的算法，转换成硬件描述语言后在FPGA中并行处理。
　　2.简化了硬件结构，使模拟电路变得简单，充分利用了数字域中处理信号的灵活性，针对不同的输入信号给出不同的参数设置，根据需求可分别进行能谱和时间谱的测量，实现了系统的在线调节功能，系统的通用性增强，使同一个硬件设备系统可以用于不同场合不同信号的能谱和时间谱的测量。
　　目前，本论文所设计的数字化核谱仪系统进行了电子学测试，并用闪烁探测器和高纯锗探测器进行了物理测试，与传统的多道幅度谱仪和TDC进行比较，在同样的测试条件下，能量和时间分辨均分别高于多道幅度谱仪和TDC测量结果。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 粒子探测技术简介

1．2 核电子学技术介绍

1．3 核电子学信号处理系统的现状与发展

1．4 本论文的工作内容及内容组织

第2章 核谱仪系统功能介绍

2．1 核谱仪系统简介

2．2 能谱信息分析

2．3 时间信息分析

2．4 核谱仪系统的发展

第3章 数字化核谱仪硬件电路设计

3．1 数字能量与时间谱仪的硬件电路结构

3．2 模拟成形和波形数字化模块

3．3 前端放大

3．4 极零相消

3．5 抗混叠滤波

3．6 单端转差分

3．7 ADC模块

3．8 实时数字信号处理模块

3．9 数据上传模块

3．9．1 USB模块

3．9．2 以太网模块

3．10 本章小结

第4章 数字化核谱仪的算法设计

4．1 算法总体方案

4．2 FPGA逻辑设计

4．2．1 全局时钟

4．2．2 环形缓冲与触发模块

4．2．3 基线模块

4．2．4 时间差粗计数模块

4．3 数字滤波与dCFD算法模块

4．3．1 DSP builder简介

4．3．2 FIR滤波

4．3．3 dCFD算法设计

4．4 USB逻辑设计

4．5 网口逻辑设计

4．6 本章小结

第5章 上位机设计

5．1 虚拟仪器介绍

5．2 LabVIEW简介

5．3 数据获取上位机

5．4 本章小结

第6章 系统测试

6．1 电子学测试

6．2 22Na正电子测试

6．2．1 闪烁探测器测试

6．2．2 半导体探测器测试

6．3 本章小结

第7章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

附录

致谢

攻读学位期间发表文章