一种中子照相电子学系统

1.本发明涉及中子探测技术领域，特别涉及一种中子照相电子学系统。


背景技术：

2.随着中子散射谱仪不断升级和应用规模的扩大，今后对大面积位敏型中子探测器的需求将越来越多。在中子通量增加的情况下，探测器读出通道或像素单元的数目也急剧增加，而信号读出环节中的高精度位置测量和读出计数率存在冲突，像素传感器位置精度高但是读出计数率方面不理想。


技术实现要素：

3.本发明实施例提供了一种中子照相电子学系统，用以解决现有技术中像素传感器读出计数率不理想的问题。
4.一方面，本发明实施例提供了一种中子照相电子学系统，包括：
5.时间测量单元，用于获取快门触发信号；
6.信号控制单元，用于读取快门触发信号中的时间信息和初步位置信息，根据时间信息生成快门开关信号，并根据初步位置信息确定相应的roi区域；
7.中子照相单元，包括cmos传感器，cmos传感器在快门开关信号的控制下获取光斑图像，信号控制单元读取光斑图像中与roi区域对应的像素。
8.本发明中的一种中子照相电子学系统，具有以下优点：
9.采用cmos传感器读出的方法，在位置测量的基础上增加了时间测量，使中子照相电子学系统达到快速触发快门、光斑精准投射、高效率读出控制，能够在保持高位置和时间分辨的情况下兼顾读出速率。
附图说明
10.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
11.图1为本发明实施例提供的一种中子照相电子学系统的功能模块图；
12.图2为本发明实施例提供的coms传感器的工作状态图；
13.图3为本发明实施例提供的roi区域的示意图；
14.图4为本发明实施例提供的fpga的内部逻辑框图；
15.图5为本发明实施例提供的cmos数据处理模块的逻辑框图；
16.图6为本发明实施例提供的顺序调整模块的逻辑框图；
17.图7为本发明实施例提供的中子照相电子学系统的工作流程图。
具体实施方式
18.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
19.图1为本发明实施例提供的一种中子照相电子学系统的功能模块图。本发明实施例提供了一种中子照相电子学系统，包括：
20.时间测量单元，用于获取快门触发信号；
21.信号控制单元，用于读取快门触发信号中的时间信息和初步位置信息，根据时间信息生成快门开关信号，并根据初步位置信息确定相应的roi区域；
22.中子照相单元，包括cmos传感器，cmos传感器在快门开关信号的控制下获取光斑图像，信号控制单元读取光斑图像中与roi区域对应的像素。
23.示例性地，图1中的系统包括前端信号读出部分、数字信号读出部分和数据传输部分，其中，前端信号读出部分包括时间测量单元和中子照相单元，数字信号读出部分则包含信号控制单元，而数据传输部分则可以包含信号控制单元的网卡和上位机。信号控制单元可以采用fpga(现场可编程门阵列)芯片，网卡可以采用千兆以太网卡，而上位机则用于发送控制指令和接收数据，其中接收的数据包括由信号控制单元读取得到的像素数据。
24.当中子被发射出来后，轰击荧光体闪烁屏可与闪烁屏中的中子灵敏核素反应，进而产生快门触发信号，快门触发信号从产生到衰弱消失持续的时间在1μs内，因此本发明的系统需要在这极短的时间内完成时间和位置的测量以及读出。
25.时间测量单元将外部接口输入的快门触发信号进行筛选与甄别后，可以在纳秒量级的响应下完成中子事件的触发与读出，读出信号包含精确的时间信息、初步的位置信息与能量信息。
26.进一步地，时间测量单元还对外部接口输入的快门触发信号进行筛选，选出有效信号。具体地，由于中子经散射后，初步位置信息中的光斑较大且不一，对于满屏和溅射过大的光斑需要剔除，因此本发明中时间测量单元采用过阈读出的方法确保有效信号。
27.中子轰击闪烁屏形成的光斑(即时间测量单元获取的快门触发信号)，经投影至cmos(complementary metal oxide semiconductor，互补型金属氧化半导体)传感器的玻璃屏进行拍照。
28.在本发明的实施例中，cmos传感器上电后首先进入训练模式，训练结束后所有通道同步并锁定，在驱动时钟的控制下进入正常工作模式。在正常工作模式下，cmos传感器首先按照上位机发送的命令进行初始化设置，包括对工作模式、拍照模式、窗口模式等进行初始化设置，然后在在获取所述光斑图像后由信号控制单元将roi区域写入cmos传感器的寄存器中，进而通过接收快门开关信号进行拍照与读出。
29.进一步地，信号控制单元确定的时间信息中，将其中的快信号作为快门的开启信号，慢信号作为快门的关闭信号。而且，本发明实施例中使用的cmos传感器具有roi(region of interest,感兴趣区域)功能，当cmos传感器获取包含全幅的光斑图像后，该光斑图像暂时存储在寄存器中，当信号控制单元将roi区域信息写入到寄存器中后，cmos传感器将读取并输出光斑图像中与roi区域对应的像素。
30.cmos传感器的工作状态如图2所示，其上电后进入训练模式，持续发送0x32a，同步并锁定通道。驱动时钟到来后，通过串行外设接口(spi,serial peripheral interface)进行序列上传，使能后对光斑进行捕获。随后将图像数据写入寄存器，待写入完成后读出，并通过spi禁用序列。回到训练模式等待下一次的工作。
31.进一步地，信号控制单元采用重心法确定初步位置信息相应的roi区域。具体地，对于一定面积的光斑，需要找到该光斑所在范围内的几何中心点，也就是重心。该几何中心点相对于整个光斑更加精确，并且一定在光斑内部。获得光斑的重心位置后，可以将其作为roi区域并传输给信号控制单元，经过映射后即可控制cmos传感器的读出区域，roi区域在光斑图像中的位置如图3所示。
32.信号控制单元的内部逻辑框图如图4所示，对于外部接口输入的x方向和y方向的坐标信号分别进行处理。在重心法以及时间提取模块中，采用重心法计算精确的roi区域的位置并提取时间信息并保存。cmos传感器的主要数据输出通道有12个数据通道与1个同步通道，均为差分信号，通过低压差分信号(lvds，low-voltage differential signaling)接口接收。将其通过差分转单端与延时模块后，经过iserdese2进行串并转换，获得10bit的并行数据，如图5所示。前半段数据为a阵列，后半段数据为反向的b阵列。像素数据则在cmos数据处理模块重新排序，如图6所示。数据输入进顺序调整模块，将ab阵列奇偶数位的像素数据进行分块调整，得到顺序的像素数据。在最终数据传输给上位机前，信号控制单元还将位置和时间信息进行整合，以去除冗余数据，精简数据内容，仅保留像素信息及其对应的通道，以减小后端传输的压力。像素数据通过gtp协议(gprs隧道协议)向上位机传输。
33.对于拍摄与读出的整体的流程见图7，本发明实施例采用先拍摄后设置roi区域的方法，可以有效防止错过中子荧光时间。
34.采用上述结构的中子照相电子学系统，经过实验验证，中子照相达到了时间分辨率10ns/20μs，位置分辨率200μm，计数率50khz的性能指标，快速地对数据读出。
35.尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
36.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。