波形数字化仪闪烁体探测器数据采集系统设计.pdf
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1、第卷第期年月核电子学与探测技术 波形数字化仪闪烁体探测器数据采集系统设计张逸帆,刘冲赵斌清,王宁,(南华大学电气工程学院,衡阳;松山湖材料实验室,东莞;?东华理工大学核科学与工程学院,南昌)摘要:设计了一套基于波形数字化仪的新型闪烁体探测器数据采集系统。利 用放射源产生的射线对硅光电倍增管()阵列耦合硅酸钇镥()晶体条和硅酸钇镥晶体阵列组合成的两种闪烁体探测器进行照射,经该数据 采集系统处理后,得到单个晶体条的能量分辨率为,晶体阵列位置分辨图清晰准确。实验结果表明,该套闪烁体数据采集系统能够完整记录波形信息,具有较高的数据传输效率和较强的抗干扰能力,有利于闪烁体探测器系统的性能提升和降低成本。
2、关键词:波形数字化仪;闪烁体探测器;数据采集系统;能量分辨率;晶体分辨图中图分类号:文献标志码:文章编 号:()传统的 闪烁体探测器数据采集系统由线性扇人扇出模块、谱仪放大器和恒比定时藤别器等核电子学插件搭建而成,存在系统组装复杂、体积较大和成本较高等问题。波形数字化仪采用开关电容矩阵的波形数字化技术,具有集成度高、采样速度快、功耗低、信号通道多和稳定性强等优点。相比于经过延迟、放大甄别和滤波处理后的信号,探测器输出的原始信号包含着最真实和准确的信息,不携带电子学插件带来的额外噪声和非线性因素。本文设计了一种基于波形数字化仪的 闪烁体探测器数据采集系统,实现对探测器输出收稿日期基金项目:国家自
3、然科学基金()、广东省基础与应用基础研究基金()、广东省重点领域研发计划()资助。作者简介:张逸帆(),男,广东韶关人,在读硕士研究生,攻读方向为核测量与控制。通讯作者:赵斌清,男,高级工程师,:。信号的直接采样和波形数字化。实验测试表明,该数据采集系统可为国内外从事闪烁体探测器的研究人员提供一种新思路。数据采集系统设计总体设计波形数字 化仪是意大利 卡昂()公司 的一款核物理数据采集处理设备,采用多米诺环形采样器()芯片对外部输人信号进行循环采样。使用模拟采样加数字转换的波形数字化方案,即先对模拟信号进行高速采样,再通过低速高精度模数转换模块()数字化读出采样电荷。图为的采样示意图,首先模拟
4、信号进入通道缓冲器中进行缓冲,经芯片连续采样输人信号,同时把波形信息转换成采样电荷存储在个开关电容阵列中,检测到触发信号后停止采集进人保持阶段。随后位精度以的频率依次将其读出并进行数字化,转换后的数字信号输出至现场可编程逻辑阵列()中得到二进制数据,并存储在数字缓冲器中,最后由个人计算机端()使用光纤接口将缓冲事件依次读出。数据采集的触发模式有软件触发、外部触发、快速触发和自触发种。本设计使用快速触发模式:将恒比定时甄别器 输出的核电子学插件()信号输人到的和通道,当该信号超过设定阈值时,控制停止采 集数据 并进行 数字化。位为和通道提供一个可调直流偏置,用于应对不同极性的触发信号。另外,触发
5、信号能数字化并存储在数字缓冲区,作为每组模拟信号的时间参考点,用于髙精度的定时测量实验中。图为快速触发模式示意图。图波形数字化仪采样原理图快速触发模式示意图上位机程序设计采用厂家提供的软件可以对整个数集系謙行控制、图为软件的命令提示栏,数据采集的一般流程是在命令框依次键入、,即开始采集、触发、实时绘图、连续写人文件和采集结束。用户只需要修改配置文件就能实现对采样参数编程,本实验主要参数设置为的采样频率,波形记录长度为,文件输出格式是,采样深度为,触发阈值设为。:会?,:(),?客)()()图采集界面实验方法测试晶体与读出电子学测试晶体分为两种:单根晶体和的晶体阵列。晶体阵列的结构与文献中保持一
6、致,选用个尺寸为()的晶体,沿深度方向布局层反射膜组合而成。如图所示,第层晶体之间采用光学胶耦合;第层晶体之间一侧采用光学胶耦合,另一侧采用反射膜耦合;第层光学胶和反射膜的位置互换;第层晶体之间采用反射膜耦合,其中使用的光学胶和反射膜厚度均为。读出电子学的光探测器选用型号为的阵列,通过行列 相加电路得到:路能量信号、和,用于计算能量分辨率和晶体分辨图;路快信号用于产生触发信号反身、膜馨鵪令?馨?一层令第二层?第三层參第四层图晶体阵列示意图和预期的晶体分辨图实验测量实验装置如图所示,整个实验过程均在密闭暗箱中完成。放射源固定在待测晶体中心前 处,对探测器进行均匀照射。阵列与晶体通过硅油进行耦合。
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