一种实现GH_Z脉冲通过率的时间、能量双谱同步测量系统的制作方法

一种实现GH_Z脉冲通过率的时间、能量双谱同步测量系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种实现GHZ脉冲通过率的时间、能量双谱同步测量系统，所述系统包括：超快速电流放大器、超快速电流电压转换器、FPGA模块、超高速模拟开关、电荷积分器和超高速模数转换器。本发明通过将粒子信号分配到独立并行的快速幅度分析器，从而提高了对粒子信号的处理能力；可将常规高速数字多道分析能力进步提高32倍；解决了GHz频率的粒子信号的单个粒子信号能量、时间双参量的测量；可达到GHz的脉冲计数通过率。
【专利说明】
一种实现GHz脉冲通过率的时间、能量双谱同步测量系统
技术领域
[0001 ]本发明涉及GHz脉冲通过率的时间、能量双谱数字多道技术，尤其涉及一种实现GHz脉冲通过率的时间、能量双谱同步测量系统。
【背景技术】
[0002]多道脉冲幅度分析器(简称多道)是核技术应用中的常用仪器。近年来，基于直接采样分析脉冲波形的数字多道发展很快，其与传统模拟多道相比，具有分析速率快、脉冲通过率高，能检测更多的脉冲信号，采用可编程器件实现灵活的数据处理算法等优点。
[0003]模数转换器即A/D转换器，或简称ADC，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。转变为数字信号的电子元件。A/D转换的作用是将时间连续、幅值也连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字信号，因此，A/D转换一般要经过取样、保持、量化及编码4个过程。
[0004]模拟数字转换器的分辨率是指，对于允许范围内的模拟信号，它能输出离散数字信号值的个数。
[0005]FPGA(Field —Programmable Gate Array)，即现场可编程门阵列，它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
[0006]传统的脉冲幅度测量方法:
[0007]传统的脉冲幅度分析器米用模拟分析技术，它一般先将探测器输出的信号放大，再进行脉冲成形后送入较慢的AD变换器分析和记录，其抗干扰能力和灵活性都较差，较高计数率情况下，无法获得每个入射粒子的能量和时间信息，难以实现粒子信号鉴别、堆积信号恢复等功能。
[0008]如图1所示为现有的脉冲幅度测量方法，其中图la、lb为采用电荷灵敏型前置放大器构成的脉冲幅度测量系统，属于脉冲工作模式；图1c为采用电流-电压转换型前置放大器构成的脉冲幅度测量系统，属于电流工作模式。
[0009]低计数率下，图1a方式可正常工作，可获得单个粒子的能量信息，脉冲幅度分辨效果较好；
[0010]高计数率下，图1b方式中的前放输出的电压脉冲全部累积、堆积，在经过后级的脉冲成形器后，多个电压脉冲堆积成为一个脉冲，从而无法获得每个粒子的能量信息，超出了后级数字多道采用系统的处理时间。
[0011 ]通常在较低计数率情况下，都基于图la、Ib方式工作。当计数率较高时(通常大于几百KHz至上MHz)，传统的电荷灵敏放大器无法工作，故传统的处理方法是采用电流-电压转换型前置放大器直接将高计数率情况下每个粒子对应的脉冲直接堆积成为一个直流信号，故通过测量该直流电压信号的平均脉冲幅度大小，从而间接获知入射粒子的平均能量，该方法为目前的主流方法，但无法分辨每个粒子的能量和出现的时刻，只能获得大量粒子的平均效应，所能保留的信息很有限，制约了现代高能核物理的发展。
[0012]存在的主要问题如下:
[0013]1、一般数字多道的模数转换器的模数转换速率难于无限制提高，通常最高不超过GHz左右，故当粒子的到达时间接近纳秒时，无法分辨出每个粒子。
[0014]2、为了准确分析测量出每个粒子的能量，必须要对前放输出的信号进行成形展宽，从而可获得优异的脉冲幅度测量效果。而在高计数率下，成形展宽器的脉冲全部堆积而无法分辨每个脉冲。
[0015]本发明要实现高计数率条件下(GHz脉冲通过率)单个粒子能量、时间信息的同步测量。

【发明内容】

[0016]为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种实现GHz脉冲通过率的时间、能量双谱同步测量系统。
[0017]本发明的目的通过以下的技术方案来实现:
[0018]一种实现GHz脉冲通过率的时间、能量双谱同步测量系统，所述系统包括:超快速电流放大器、超快速电流电压转换器、FPGA模块、超高速模拟开关、电荷积分器和超高速模数转换器;所述
[0019]超快速电流放大器，用于对探测器输出的信号放大，并采用电流脉冲进行信号的传输；
[0020]超快速电流电压转换器，用于将电流信号转换成电压信号，并传输给FPGA模块单元;及将电流脉冲信号通过延迟线输出到超高速模拟开关；
[0021]FPGA模块，包括时间数字转换单元和电流脉冲顺序分配器；用于输出时间谱线和32路开关选通信号，并将所述开关选通信号和超快速电流放大器输出的电流脉冲信号输出且同时到达超尚速t旲拟开关；
[0022]超高速模拟开关，用于输出32路电流脉冲；
[0023]电荷积分器，将电流脉冲中叠加的噪声平滑，同时将电流脉冲积分获得整个电流脉冲的强度；
[0024]超高速模数转换器，将32路模拟的指数电压信号转换为32路数字的指数电压信号，并将离散信号输入到FPGA中。
[0025]与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点:
[0026]1、通过将粒子信号分配到独立并行的快速幅度分析器，从而提高了对粒子信号的处理能力。
[0027]2、可将常规高速数字多道分析能力进步提高32倍。
[0028]3、解决了 GHz频率的粒子信号的单个粒子信号能量、时间双参量的测量。
[0029]4、可达到GHz的脉冲计数通过率。
【附图说明】
[0030]图1a、Ib和Ic是现有技术脉冲幅度测量方法结构示意图；
[0031]图2是实现GHz脉冲通过率的时间、能量双谱同步测量系统结构示意图；
[0032]Ul为超快速电流放大器、U2为超快速电流电压转换器、U3为FPGA内部时间数字转换单元、U4为电流脉冲顺序分配器、U5为32通道超高速(ps级别)模拟开关、U6为32通道电荷积分器(时间常数为32ns)、U7为32通道超高速模数转换器(每片ADC转换频率为1GHz)、U8为32通道数字脉冲幅度提取器、U9为32通道归一化系数校正器、UlO为32通道谱线合成器。
【具体实施方式】
[0033]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述。
[0034I 如图2所示，为实现GHz脉冲通过率的时间、能量双谱同步测量系统结构，包括:超快速电流放大器、超快速电流电压转换器、FPGA模块、超高速模拟开关、电荷积分器和超高速模数转换器;所述
[0035]超快速电流放大器，用于对探测器输出的信号放大，并采用电流脉冲进行信号的传输；
[0036]超快速电流电压转换器，用于将电流信号转换成电压信号，并传输给FPGA模块单元;及将电流脉冲信号通过延迟线输出到超高速模拟开关；
[0037]FPGA模块，包括时间数字转换单元和电流脉冲顺序分配器；用于输出时间谱线和32路开关选通信号，并将所述开关选通信号和超快速电流放大器输出的电流脉冲信号输出且同时到达超尚速t旲拟开关；
[0038]超高速模拟开关，用于输出32路电流脉冲；
[0039]电荷积分器，将电流脉冲中叠加的噪声平滑，同时将电流脉冲积分获得整个电流脉冲的强度；
[0040]超高速模数转换器，将32路模拟的指数电压信号转换为32路数字的指数电压信号，并将离散信号输入到FPGA中。
[0041]选用超快速电流放大器Ul对探测器输出信号放大替代传统电荷灵敏或电压灵敏方式进行信号放大;采用电流脉冲进行信号的传输替代传统电压脉冲信号的传输;采用超高速电流电压转换器实现电流脉冲信号的整形与转换;采用超高速模拟开关切换电流方式替代传统电压切换方式;采用电流放大，可消除电压脉冲信号在模拟开关中的串扰现象。这样可以提高信噪比，保证时间信息。而传统方法使用电压方式传输模拟核脉冲信号，信号源内阻与传输线路的直流特征阻抗不匹配会导致所传输的高频信号发生振铃、过冲及幅度衰减等现象，且易受外界干扰，信号传输不稳定，故对于超高速的核脉冲信号而言，难以保证其准确的脉冲幅度信息与时间信息。本实施例则替代了传统电压信号处理方式为电流信号处理方式。用这种方法代替传统的电压型与电荷型放大器，可有效保证粒子脉冲信号的时间特性与幅度特性。
[0042]通过延迟线消除U2，U3，U4带来的延迟，从而保证模拟开关选通信号与电流脉冲信号同步。
[0043]电流脉冲分配与时间测量工作流程:FPGA内部的时间转换单元输出时间谱线，通过U4输出32路开关选通信号给32通道模拟开关。通过调节延迟眼的延迟时间保证Ul输出的电流脉冲信号和FPGA部分输出的开关选通信号同时到达U5。每当UI到来一个电流脉冲，则FPGA内部的电流脉冲顺序分配器则打开32通道模拟开关中的其中一路开关，并关闭其他所有开关，随着Ul电流脉冲依次到来，则32通道模拟开关中的32路开关则依次选通开关。FPGA内部的电流脉冲顺序分配器为32进制计数器，每接收到32个脉冲则重新计数，使得模拟开关则始终处于轮询交叉导通状态。32通道超高速模拟开关中的每一路开关都是在Ul每输出32个脉冲才导通输出I个脉冲，本实施例的电流脉冲分配方式可实现将Ul输出的单路超高速电流脉冲分配成为频率下降32倍的相对低速电流脉冲。此方法改变传统单路粒子信号分析的办法，改为采用多路分配，并用多路并行同步的数字幅度分析器，从而大大提高了脉冲计数通过率。可增加并行分配通道数进一步提升脉冲计数通过率。
[0044]32通道超高速模拟开关输出32路的电流脉冲，为了准确获取每个电流脉冲的强度也就是获得对应的入射粒子能量大小，需要先将电流脉冲经过32通道的电荷积分器，通过积分器将电流脉冲中叠加的噪声平滑，同时将电流脉冲积分获得整个电流脉冲的强度，显然积分器的积分时间越长，积分器输出信号的时间宽度越长，越有利于每路信号脉冲幅度提取的分辨率。但积分时间越长，则会下降系统的脉冲计数通过率。由于本系统的采用的高速ADC为IGHz，且采用的是32路分配器，理论上可以对每个脉冲延迟32倍，故此部分选择的积分时间最大不超过32纳秒。经过32通道电荷积分器后，前端I纳秒左右宽度的电流窄脉冲变换为32纳秒宽度的指数电压信号。由于此时已经将电流信号转换为相对频率较低的电压信号，故可以直接采用常规的传输方式与脉冲幅度提取方式。
[0045]32通道超高速ADC，实现将32路模拟的指数电压信号转换为32路数字的指数电压信号，并将该离散信号输入到FPGA系统中。为了提高脉冲计数通过率，本实施例选用的ADC为目前市面上所能选择的尽可能高转换速率的ADC，本专利选用的是IGHz的ADC，共采用32片，每片都是完全并行独立运行，故理论上所能获得的最大转换速率为lGHz*32 = 32GHz。故远超过目前市面上任意一款高速ADC，从而也能获得极高的脉冲计数通过率。
[0046]32路离散的指数信号输入到FPGA内部后，在FPGA内部采用32路并行独立的数字梯形成形器与数字脉冲幅度提取器将每路信号的幅度准确提取后，最后进行归一化系数校正与谱线合成从而输出一条合成后的能谱曲线。
[0047]本申请文件使脉冲信号放大后，不再通过阈值甄别电路和峰值检测电路展宽脉冲峰值，而是由高速ADC实时采样，经FPGA处理后得到精确的数字峰值。因此精度高，性能好。
[0048]上述实施例采用纯电流方式进行核脉冲信号的放大、传输、分配之后才电荷积分为电压信号实现脉冲幅度提取替代了传统先电荷积分放大后信号传输及幅度提取的方法；且通过精确的时间同步将单路超高速电流脉冲信号变换为32通道的相对低速电流脉冲信号;采用多路IGHz模数转换器配合32通道电荷积分器与FPGA内部32通道数字脉冲幅度提取器，实现高达32GHz的数字信息采集能力，从而提高脉冲通过率;同时实现对GHz脉冲通过率的单个粒子能量、时间双参量的测量，且二者具备时序配合功能，确保时间能量双谱的质量。
[0049]虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
【主权项】
1.一种实现GHz脉冲通过率的时间、能量双谱同步测量系统，其特征在于，所述系统包括:超快速电流放大器、超快速电流电压转换器、FPGA模块、超高速模拟开关、电荷积分器和超高速模数转换器;所述 超快速电流放大器，用于对探测器输出的信号放大，并采用电流脉冲进行信号的传输；超快速电流电压转换器，用于将电流信号转换成电压信号，并传输给FPGA模块单元;及将电流脉冲信号通过延迟线输出到超高速模拟开关； FPGA模块，包括时间数字转换单元和电流脉冲顺序分配器；用于输出时间谱线和32路开关选通信号，并将所述开关选通信号和超快速电流放大器输出的电流脉冲信号输出且同时到达超尚速t旲拟开关； 超高速模拟开关，用于输出32路电流脉冲； 电荷积分器，将电流脉冲中叠加的噪声平滑，同时将电流脉冲积分获得整个电流脉冲的强度； 超高速模数转换器，将32路模拟的指数电压信号转换为32路数字的指数电压信号，并将离散信号输入到FPGA中。2.如权利要求1所述的实现GHz脉冲通过率的时间、能量双谱同步测量系统，其特征在于， 所述超尚速t旲拟开关为32通道超尚速_旲拟开关； 所述电荷积分器为32通道电荷积分器； 所述超高速模数转换器为32通道超高速模数转换器。3.如权利要求1所述的实现GHz脉冲通过率的时间、能量双谱同步测量系统，其特征在于，所述FPGA模块还包括32路并行独立的数字梯形成形器、32通道数字脉冲幅度提取器、32通道归一化系统校正器和32通道谱线合成器;并采用所述32路并行独立的数字梯形成形器和32通道数字脉冲幅度提取器提取每路信号的幅度，然后对所述信号幅度进行归一化系数校正与谱线合成，从而输出一条合成后的能谱曲线。
【文档编号】G01R29/02GK105866557SQ201610165594
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月22日
【发明人】曾国强, 欧阳晓平, 葛良全, 胡传皓, 赖茂林, 张开琪
【申请人】成都理工大学