专利名称：用于核谱学及核电子学的高速并行多通道多道数据系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及核谱学及核电子学技术领域，特别是一种用于核谱学及核电子学的高速并行多通道多道数据系统。
背景技术：
核谱学测量中多道分析器是记录和分析核物理事件的脉冲信息的测量单元，分为单通道多道(multichannel)分析器和多参数(multi-parameter)多道分析器两类。多参数多通道测量是核谱学实验与测量中的重要部分，在各类核物理实验及核分析技术中被广泛应用。其核心原理是同时或者分时记录来自各路(通道)的脉冲信号的能量及时间的信息，并将数据进行分析、处理、记录，以获取核事件发生的物理过程。多通道多道数据获取系统由前端模拟电路、ADC、数字信号处理器、计算机通讯接口以及计算机等部分组成。
传统的多参数测量可以分为分时或者顺序多通道测量和并行多通道符合测量两大类，第一类多参数多道分析器如美国ORTEC公司生产的NIM标准919E Multichannel Buffer四通道多道插件、CAMAC标准AD413A Quad 8k ADC四通道多道插件属于分时多通道多道测量系统，其核心技术是利用多路混和器(multiplexer)将来自各路(通道)的脉冲信号分时或者顺序(first-come，first-served basis)发送到单一ADC进行模数转换并分别记录，相当于一个脉冲多道分析器实现了多个脉冲多道分析器的功能，是核物理实验中最常用的一类脉冲多道分析器，主要用于能谱测量以及时间测量的实验中。第二类多参数多道分析器属于并行多通道符合测量脉冲多道分析系统，如采用多个CAMAC标准ORTECAD114 16k ADC以及德国FASTCom公司生产的NIM标准7072 ADC分别对来自各路(通道)的脉冲信号并行进行模数转换，并分别通过专用CAMAC FERAbus Module以及专用ADC Port Module和专用MPA-3 BaseModule进行分析和数据传输。这类脉冲多道分析器主要用于同时记录和测量相关联的核事件的时间、能量等。如正电子湮没寿命-动量关联测量中，需要同时获取正电子在样品中的湮没寿命和湮没光子的能量信息，又如，在正电子湮没符合多普勒测量中，需要同时获得两个湮没光子的能量信息。第一类脉冲多道分析器由于属于单个ADC分时处理多通道信息，而无法满足同时记录多路相关联核事件的测量要求。因而，两类多道分析器适用的范围有所不同，但是第二类脉冲多道分析器可以替代第一类脉冲多道分析器，实现非关联多路测量的实验。
发明内容
本发明的目的是提供一种泛用的可用于核仪器测量的高速、并行多通道数据采集系统，系统可在多通道独立工作或者多通道多参数符合模式下工作。在多通道独立工作模式下，可作为多个真正独立的脉冲多道分析器，同时为多个测量系统工作，减少测量死时间；在多通道符合模式下，可以使用硬件编程语言(VHDL)实现对被探测事例的时间与能量的相关性分析，如核物理事件中的能量-能量符合测量、时间-能量符合测量、时间-动量符合测量等。
本发明的进一步技术方案是采用高速模数转换(ADC)、现场可编程门阵列(FPGA)、快速数据传输等技术的集成应用。接口通讯使用USB2.0，LAN网络接口高速数据传输协议。
本发明公开一种核谱学及核电子学的高速并行多通道多道数据获取系统，特别是用于核谱学中相关事件多参数符合测量的数据获取系统。
本发明的优点1.本发明采用高速模数转换(ADC)、现场可编程门阵列(FPGA)为核心技术以及高速数据传输等技术，可以取代目前由复杂的ADC插件和专用的数据传输系统组合而成的各类脉冲多道分析器，简化了测量装置和使用技术，大大降低了设备的造价和使用成本。
2.本发明将多通道多参数的输入信号的时间和能量的相关性判断在硬件FPGA中完成，提高了数据传输的效率，减少测量死时间，提高了测量精度和测量稳定性，可用于高计数率条件下的脉冲数据采集的情形。
3.本发明可以通过计算机方便的修改FPGA的工作模式以及对FPGA进行编程，从而满足各种条件的测量要求4.本发明具有内触发、外触发符合测量模式以及各路独立工作等多种工作模式。满足目前商用多道分析器的各种测量要求。
图1是本发明用于核谱学及核电子学的高速并行多通道多道数据系统原理框图。
图2是采用不同放射源γ能峰对本系统线性度进行测量结果。
图3是采用本发明作为单通道脉冲多道分析器对探测器进行能量分辨率的标定结果图。
图4是采用本发明作为单通道脉冲多道分析器测量的正电子湮没多普勒展宽能谱测量结果和采用ORTEC NIM 921脉冲多道分析器测量的正电子湮没多普勒展宽能谱测量结果的比较。
图5是图4中511keV能量附近正电子湮没多普勒展宽谱形的详细比较结果图。
图6是正电子湮没符合多普勒测量原理框图(内触发模式)。
图7是正电子湮没符合多普勒测量原理框图(外触发模式)。
图8是采用外触发模式测量得到的正电子湮没符合多普勒二维能谱分布图。
图9是图8测量结果的平面投影图。
具体实施例方式
图1给出系统具体实施的原理框图。
一种用于核谱学及核电子学的高速并行多通道多道数据系统，由4个相互独立的模数转换A/D转换通道和现场可编程门阵列FPGA芯片、数据传输模块、单片机组成，A/D模数转换通道连接于FPGA芯片，FPGA芯片通过数据传输模块和单片机连接于计算机。
采用14位高速ADC模数转换器，采样率最高可达65MHz，以保证采样精度和采样速度；A/D转换通道主要由差分放大器AD8138和A/D转换芯片AD9244组成。差分放大器AD8 138连接于A/D转换芯片AD9244芯片。
AD9244是ADI公司生产的一款性能优异的双极型工艺A/D转换器，它自带输出误差修正电路，采用多级差分流水线结构，在65MSPS转换速率下能提供75dB信噪比(SNR)，90dB无杂散信号动态范围(SFDR)和14位采样精度，可保证在全部规定温度范围内不丢码。现场可编程门阵列FPGA，对各通道脉冲信号的时间、幅度、每个脉冲的采样点数信息及其相关性进行在线分析，采用不同处理方式对脉冲堆积效应进行去除、脉冲形状及峰位的判断等，实现有效数据选择，提高信噪比；FPGA芯片采用Xilinx公司Spartan-3系列中的XC3S10004FG456CB，它使用90nm工艺生产，与同类型其它产品相比，具有价格低、容量高、性能优异的特点。这些特性包括高性能区块和分布式RAM；MicroBlaze 32位RISC软处理器和XtremeDSP功能；专用118×18乘法器；每秒提供3300亿次乘法和累加(MAC)运算。单片机采用美国微芯科技公司(MicroChipTechnology)生产的16位闪存单片机dsPIC30F6014，它配备132K字节至144K字节增强型闪存及6K至8K字节静态RAM，同时还配备了一个CODEC接口和一个12位100KSPS模数转换器，能支持大型的复杂应用。
系统工作时，单端的模拟信号首先由差分放大器AD8138转换成差分信号，然后送入AD9244进行A/D转换，A/D转换采用Pipe-Line方式进行。各个通道转换后的14位数字量送入FPGA中，通过寻峰过程找到有效信号峰，并通过计算得到脉冲信号的能量信息和时间信息，并且根据不同的使用目的，对各通道采集到的信号进行能量、时间等方面的符合和筛选，由UDP传输模块将信号的能量和时间信息送到计算机，进行保存或进行进一步的处理。也可以选择将脉冲信号的波形采样数据传输到计算机直接进行保存，以方便离线数据处理。使用者可根据不同的使用目的，在计算机上的操作界面中选择不同的工作模式和工作参数，这些改变工作模式和参数的命令通过RS-232通讯接口，由dsPIC30F6014单片机向系统发出。
为了保证4个采样通道的同步性能，电路中采用了一对LVDS时钟接收和发送芯片构成时钟调理电路，时钟调理电路的使用既减小了晶振输出时钟的上升和下降时间，同时也保证了四个ADC接收到的频率和相位始终都是相同的。
通过以上设计，本数据获取系统可以根据使用者的不同使用目的和要求，灵活改变工作模式和工作参数，在不同的应用场所完成单参数及多参数数据获取任务。在核测量中，不仅可实现多参数符合测量，也可作为多个独立的多道分析器。
在时钟电路中，采用时钟分配器将同一时钟分配给4个A/D通道使用，以保证各通道的同步。
数据传输接口采用USB2.0及网络数据传输接口，以保证足够高的数据传输速率和不同应用场合的需要。
图2是采用不同放射源γ能峰(133Ba 355.75keV，383.54keV，436.26keV和22Na 511keV)对本系统线性度进行测量。以γ能谱的峰位道数和对应能量作图。拟合函数y＝0.29732*(x-2029.99668)，拟合度R^2＝0.99997。结果表明本系统的线性度很好，能够满足高精度测量要求。
图3是采用本发明作为单通道脉冲多道分析器对探测器进行能量分辨率的标定结果。实验条件放大器采用Ortec 572，成形时间2μs，探测器采用Ortec GLP平面型高纯锗探测器。测量结果系统对85Sr514keV和147Nd 531keVγ的能量分辨率(FWHM)分别为1.22keV和1.23keV。
图4是采用本发明作为单通道脉冲多道分析器测量的正电子湮没多普勒展宽能谱测量结果以及采用ORTEC NIM 921脉冲多道分析器测量的正电子湮没多普勒展宽能谱测量结果的比较。实验条件放大器采用Ortec572，成形时间1μs，探测器采用Ortec GLP平面型高纯锗探测器，22Na放射源，峰面积总计数约为2.2×106。
图5是图4中511keV能量附近正电子湮没多普勒展宽谱形的详细比较结果。
图6是正电子湮没符合多普勒测量内触发模式原理框图。内触发模式是利用该发明的板载FPGA芯片，对模数转换后的两路数字信号分别进行时间和能量的相关性判断，判断标准根据具体实验条件通过硬件编程语言来实现。符合时间1～256(×50ns)可调，符合能量可调，信号被判断有效后通过USB总线传送给计算机。其中虚框对应该发明系统。
图7是正电子湮没符合多普勒测量外触发模式原理框图。外触发模式是在该发明系统外部通过一系列NIM插件实现对信号的符合判断，判断有效时才选通该发明系统，该发明系统只起到模—数转换和数据传输的功能。外触发模式具有更为精确的符合判断功能，能够更好地消除偶然符合，减少测量本底。
图8是采用外触发模式测量得到的正电子湮没符合多普勒展宽二维能谱分布图(高纯退火Al样品和22Na正电子源)，实验结果测量峰谷比好于1.6×106。图中横轴E1、E2分别为高纯锗探测器同时捕捉到的两个γ射线的能量，纵轴Counts为实验中同时探测到相应能量的两个γ射线的计数。
图9是图8测量得到的立体图向E1、E2平面投影后的平面图。该图中的计数值对应着实际的计数，图的右侧从上至下计数逐渐增大。
权利要求
1.一种用于核谱学及核电子学的高速并行多通道多道数据系统，由4个相互独立的模数转换A/D转换通道和现场可编程门阵列FPGA芯片、数据传输模块、单片机组成，A/D模数转换通道连接于FPGA芯片，FPGA芯片通过数据传输模块和单片机连接于计算机。
2.根据权利要求1所述的高速并行多通道多道数据系统，其特征在于采用14位高速模数转换器，采样率最高可达65MHz，以保证采样精度和采样速度；A/D转换通道主要由差分放大器AD8138和A/D转换芯片AD9244芯片组成，差分放大器AD8138连接于A/D转换芯片AD9244芯片。
3.根据权利要求1所述的高速并行多通道多道数据系统，其特征在于在时钟分配电路中，采用时钟分配器将同一时钟分配给4个A/D通道使用，以保证各通道的同步。
4.根据权利要求1所述的高速并行多通道多道数据系统，其特征在于采用现场可编程门阵列FPGA，对各通道脉冲信号的时间、幅度、每个脉冲的采样点数信息及其相关性进行在线分析，采用不同处理方式对脉冲堆积效应进行去除、脉冲形状及峰位的判断等，实现有效数据选择，提高信噪比。
5.根据权利要求1所述的高速并行多通道多道数据系统，其特征在于数据传输接口采用USB2.0及网络数据传输接口，以保证足够高的数据传输速率和不同应用场合的需要。
全文摘要
本发明涉及核谱学及核电子学技术领域，特别是一种用于核谱学及核电子学的高速并行多通道多道数据系统。由4个独立的通道组成，包括各自的模拟电路、14位ADC模数转换、一个4通道时钟分配器将同一时钟分配给4个A/D通道使用以保证各通道的同步，各通道模拟输入信号经各通道ADC转换为数字量后，输入大容量FPGA芯片，对各通道脉冲信号的时间、幅度、每个脉冲的采样点数信息及其相关性进行在线分析，并进行有效数据选择，由网络传输或USB2.0接口送入主控计算机中储存。
文档编号G01T1/17GK1979220SQ20051012570
公开日2007年6月13日 申请日期2005年12月1日 优先权日2005年12月1日
发明者王宝义, 王丹妮, 章志明, 马创新, 魏龙 申请人:中国科学院高能物理研究所