一種二維位敏中子探測器讀出裝置及其讀出方法
2023-05-11 15:31:36
一種二維位敏中子探測器讀出裝置及其讀出方法
【專利摘要】一種二維位敏中子探測器讀出裝置及其讀出方法，讀出裝置包括PMT前置放大器、預放大器、比較器、預處理器、DAC及網絡通信埠；PMT前置放大器的輸入端連接PMT光電倍增管，PMT前置放大器的輸出端連接預放大器的輸入端，預放大器的輸出端連接比較器的正輸入端，高速比較器的輸出端連接預處理器的輸入端，預處理器與網絡通信埠雙向連接，預處理器的輸出端與DAC的輸入端連接，DAC的輸出端與比較器負輸入端連接。所述比較器與預處理器之間還設置比較器輸入接口和數據鎖存器，比較器輸入接口的一端與比較器輸出端連接，另一端連接數據鎖存器的輸入端，數據鎖存器的輸出端連接預處理器。本發明結構簡單，替換了FADC和ADC驅動電路，節省了成本，提高了分辨精度。
【專利說明】一種二維位敏中子探測器讀出裝置及其讀出方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及二維位敏中子探測器技術，特別是涉及一種二維位敏中子探測器讀出裝置及其讀出方法。
【背景技術】
[0002]目前的二維位敏中子探測器(二維位敏中子探測器是一種在二維方向上(X軸方向和Y軸方向)位置敏感的中子探測器；位置敏感是指傳感器在位置感應或是位置測量方面有效，能輸出表示位置坐標信號或是位置坐標改變量的信號)電子學讀出基本結構如圖1所示，是由連接PMT的前放、預放大器、ADC驅動、FADC (快速ADC)、緩存、預處理核心和讀出總線構成。此方法是基於幅度偵別的，所以優點是分辨精度高，但缺點也十分明顯:需要的電子學處理電路複雜，成本高，特別是當探測面積增大時而使PMT通道數增加時，所需要的ADC驅動和FADC都成倍增加。如果需要做龐大的二維位敏中子探測器，此方法都會因為成本原因而很難實現。
【發明內容】
[0003]本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種二維位敏中子探測器讀出裝置及其讀出方法，電路結構簡單，降低了成本，且分辨精度高。
[0004]為了達到上述目的，本發明採用的技術方案是:
一種二維位敏中子探測器讀出裝置,包括PMT (英文photomultiplier tube的縮寫，中文為光電倍增管)前置放大器、預放大器、比較器、預處理器、DAC及網絡通信埠 ；PMT前置放大器的輸入端連接PMT光電倍增管，PMT前置放大器的輸出端連接預放大器的輸入端，預放大器的輸出端連接比較器的正輸入端，高速比較器的輸出端連接預處理器的輸入端，預處理器與網絡通信埠雙向連接，預處理器的輸出端與DAC的輸入端連接，DAC的輸出端與比較器負輸入端連接。
[0005]較佳地，所述比較器與預處理器之間還設置比較器輸入接口和數據鎖存器，比較器輸入接口的一端與比較器輸出端連接，另一端連接數據鎖存器的輸入端，數據鎖存器的輸出端連接預處理器。
[0006]較佳地，所述數據鎖存器的輸入端連接觸發信號輸入接口，用於連接觸發信號。
[0007]較佳地，所述比較器輸入接口設置為100?400個輸入口，用於連接100?400個PMT光電倍增管通道。
[0008]較佳地，所述PMT前置放大器為AD8099運算放大器。
[0009]較佳地，所述預放大器為AD8131運算放大器。
[0010]較佳地，所述比較器為AD8564比較器。
[0011]較佳地，所述DAC為MAX5316數模轉換器。
[0012]一種利用所述的二維位敏中子探測器讀出裝置的讀出方法，包括如下步驟:
步驟1.PMT光電倍增管發出光電子信號，通過PMT通道輸送至PMT前置放大器，將光電子信號放大至IOOmV以上，放大後的光電子信號輸送至預放大器；
步驟2.預放大器進一步放大光電子信號，將光電子信號放大至700mV以上，並將放大後的光電子信號輸送至比較器的正輸入端；
步驟3.DAC數模轉換器產生電壓為O?2V，解析度為5mV，幅度可調的閾值信號，並將該閾值信號輸送至比較器的負輸入端；
步驟4.比較器將光電子信號與閾值信號比較，光電子信號小於閾值信號則比較器輸出低電平，光電子信號大於閾值信號則比較器輸出高電平，當輸出高電平時光電子信號判定為有效光電子信號，將比較結果通過比較器輸入接口輸送至數據鎖存器；
步驟5.觸發信號通過觸發信號接口控制數據鎖存器將比較器輸出接口的數據狀態鎖存在數據鎖存器陣列中，同時鎖存時基信號，所述時基信號為自動觸發序號或者實時時鐘信號;
步驟6.預處理器讀取數據鎖存器陣列中的數據至FIFO (英文First Input FirstOutput的縮寫)先進先出隊列中，同時將數據通過網絡通信埠發送至資料庫伺服器。
[0013]較佳地，所述觸發信號為外部觸發信號或內部控制基於時鐘的定時自動觸發信號。
[0014]與現有技術相比，本發明的有益效果是:結構簡單，替換了 FADC和ADC驅動電路，節省了成本，提高了分辨精度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為現有技術二維位敏中子探測器讀出裝置結構示意圖；
圖2為本發明的結構示意圖；
圖3為本發明的拓展結構示意圖。
【具體實施方式】
[0016]本發明的主旨在於克服現有技術的不足，提供一種二維位敏中子探測器讀出裝置及其讀出方法，本發明的方法與裝置，拋棄了原先的幅度偵別，而採用閾值判定，只要PMT的光電子信號大於預先設定的閾值就認為是有效信號。基本架構是:使用PMT前置放大器，預放大器，比較器，高精度DAC、預處理器和網絡通信埠組成。實現原理是，高精度DAC產生閾值判定值給所有比較器的負輸入端，從PMT過來的光電子信號經過前放和預放進行放大後送到比較器的正輸入端，比較器的輸出到由FPGA設計的預處理器完成數據採集鎖存。最後通過網絡將數據上傳到伺服器中供數據分析使用。本發明的優點是省略了 FADC和ADC驅動電路，在大規模使用時，將大大地減少電子學設備的體積，節省使用空間和研發成本。
[0017]在中子探測器中，因為需要實現的精度基本上是在5_量級，而二維位敏中子探測器的中子探測物理學部分的精度可實現在Imm量級，如果實現一個I平方米的探測器，則至少需要4萬通道的PMT，即需要4萬通道的FADC。例如一個通道的FADC的成本至少為100元，則採用原始的方式，單單FADC的費用就超過400萬元，如果選用比較器，比較閾值方法，則每通道的比較器成本還不到每通道的ADC驅動的成本。將大大地節省了成本，提高了社會效益和經濟效益。
[0018]下面結合實施例參照附圖進行詳細說明，以便對本發明的技術特徵及優點進行更深入的詮釋。
[0019]本發明的裝置原理示意圖如圖2所示，一種二維位敏中子探測器讀出裝置，包括PMT前置放大器、預放大器、比較器、預處理器、DAC及網絡通信埠 ；PMT前置放大器的輸入端連接PMT光電倍增管，PMT前置放大器的輸出端連接預放大器的輸入端，預放大器的輸出端連接比較器的正輸入端，高速比較器的輸出端連接預處理器的輸入端，預處理器與網絡通信埠雙向連接，預處理器的輸出端與DAC的輸入端連接，DAC的輸出端與比較器負輸入端連接。
[0020]如圖3所示，較佳地，所述比較器與預處理器之間還設置比較器輸入接口和數據鎖存器，比較器輸入接口的一端與比較器輸出端連接，另一端連接數據鎖存器的輸入端，數據鎖存器的輸出端連接預處理器。
[0021]較佳地，所述數據鎖存器的輸入端連接觸發信號輸入接口，用於連接觸發信號。
[0022]較佳地，所述比較器輸入接口設置為100?400個輸入口，用於連接100?400個PMT光電倍增管通道。PMT光電倍增管通道，簡稱為PMT通道，根據實際需要設置，那麼相應的比較器輸入接口也要根據需要設置。
[0023]較佳地，所述PMT前置放大器為AD8099運算放大器。AD8099的特點是超低噪聲(0.95nV/ V Hz)和超低失真(_92dBc @ IOMHz)的電壓反饋運算放大器，能有效降低本發明讀出數據的失真度，避免了影響帶寬。當然本發明並不限於AD8099，任何其他能實現超低噪聲和超低失真的運算放大器均可替換。
[0024]較佳地，所述預放大器為AD8131運算放大器，AD8131是一款差分或單端輸入至差分輸出驅動器，無需外部元件就能獲得固定增益。當然本發明並不限於AD8131，任何其他能實現AD8131同功能的運算放大器均可替換。
[0025]較佳地，所述比較器為AD8564比較器。當然本發明並不限於AD8564，任何其他能實現AD8564同功能的比較器均可替換。
[0026]較佳地，所述DAC為MAX5316數模轉換器。MAX5316是一種高精度，16位，串行SPI輸入，緩衝電壓輸出數字-模擬轉換器(DAC)。MAX5316以最低的噪聲，快速建立精密16位DAC0當然本發明並不限於MAX5316，任何其他能實現MAX5316同功能的數模轉換器均可替換。
[0027]—種利用所述的二維位敏中子探測器讀出裝置的讀出方法，包括如下步驟:
步驟1.PMT光電倍增管發出光電子信號，通過PMT通道輸送至PMT前置放大器，將光電
子信號放大至IOOmV以上，放大後的光電子信號輸送至預放大器；
步驟2.預放大器進一步放大光電子信號，將光電子信號放大至700mV以上，並將放大後的光電子信號輸送至比較器的正輸入端；
步驟3.DAC數模轉換器產生電壓為O?2V，解析度為5mV，幅度可調的閾值信號，並將該閾值信號輸送至比較器的負輸入端；
步驟4.比較器將光電子信號與閾值信號比較，光電子信號小於閾值信號則比較器輸出低電平，光電子信號大於閾值信號則比較器輸出高電平，當輸出高電平時光電子信號判定為有效光電子信號，將比較結果通過比較器輸入接口輸送至數據鎖存器；
步驟5.觸發信號通過觸發信號接口控制數據鎖存器將比較器輸入接口的數據狀態鎖存在數據鎖存器陣列中，同時鎖存時基信號，所述時基信號為自動觸發序號或者實時時鐘信號;
步驟6.預處理器讀取數據鎖存器陣列中的數據至FIFO先進先出隊列中，同時將數據通過網絡通信埠發送至資料庫伺服器。
[0028]較佳地，所述觸發信號為外部觸發信號或內部控制基於時鐘的定時自動觸發信號。
[0029]具體實施中，本發明的方法與裝置由PMT前置放大器，預放大器，高速比較器，高精度DAC、預處理核心和網絡通信埠組成。PMT前置放大器由極低噪聲的運算放大器(AD8099)組成，負責把PMT產生的光電子信號放大到IOOmV以上的信號，預放大器由AD8131組成，將信號放大到700mV以上。高精度DAC (MAX5316)負責產生O?2V，解析度為5mV，幅度可調的閾值信號。快速比較器(AD8564)的負輸入端接閾值信號，正輸入端接光電子信號(即預放大器的輸出端)，如果光電子信號小於閾值信號時，比較器輸出為低電平，當比較器輸出為高電平時，表不光電子信號大於閾值信號，接收到即有效的光電子信號。
[0030]預處理器的數據處理和網絡通信埠的讀出總線由FPGA完成，在FPGA內部構建高速鎖存器，能在觸發信號的控制下自動鎖存比較器的輸出信號。FGPA內部架構分為預處理器模塊，比較器輸入接口，觸發信號輸入接口，數據鎖存器陣列，FIFO模塊和網絡連接模塊。比較器輸入接口是可根據實際需要，設計100?400個輸入口，用於連接100?400個PMT通道。觸發信號輸入接口是用於連接觸發信號，觸發可以為外部信號觸發也可是由內部控制基於時鐘的定時自動觸發。數據鎖存器陣列是在觸發信號的控制下將比較器輸入接口的數據狀態鎖存在數據鎖存器陣列中，同時鎖存時基信號(可以是自動觸發的序號，也可以是實時時鐘)；數據鎖存器陣列鎖存這些數據後就供預處理器讀取，預處理器一邊快速讀取鎖存器陣列的數據到FIFO中，同時一邊將數據通過網絡通信埠發送到資料庫伺服器中。網絡連接模塊負責網絡連接的基本通信功能，將預處理器發送過來的數據按乙太網的通信協議進行打包發生出去。
[0031]通過以上實施例中的技術方案對本發明進行清楚、完整的描述，顯然所描述的實施例為本發明一部分的實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
【權利要求】
1.一種二維位敏中子探測器讀出裝置，其特徵在於: 包括PMT前置放大器、預放大器、比較器、預處理器、DAC及網絡通信埠 ； PMT前置放大器的輸入端連接PMT光電倍增管，PMT前置放大器的輸出端連接預放大器的輸入端，預放大器的輸出端連接比較器的正輸入端，高速比較器的輸出端連接預處理器的輸入端，預處理器與網絡通信埠雙向連接，預處理器的輸出端與DAC的輸入端連接，DAC的輸出端與比較器負輸入端連接。
2.根據權利要求1所述的二維位敏中子探測器讀出裝置，其特徵在於:所述比較器與預處理器之間還設置比較器輸入接口和數據鎖存器，比較器輸入接口的一端與比較器輸出端連接，另一端連接數據鎖存器的輸入端，數據鎖存器的輸出端連接預處理器。
3.根據權利要求2所述的二維位敏中子探測器讀出裝置，其特徵在於:所述數據鎖存器的輸入端連接觸發信號輸入接口，用於連接觸發信號。
4.根據權利要求2所述的二維位敏中子探測器讀出裝置，其特徵在於:所述比較器輸入接口設置為100~400個輸入口，用於連接100~400個PMT光電倍增管通道。
5.根據權利要求1所述的二維位敏中子探測器讀出裝置，其特徵在於:所述PMT前置放大器為AD8099運算放大器。
6.根據權利要求1所述的二維位敏中子探測器讀出裝置，其特徵在於:所述預放大器為AD8131運算放大器。
7.根據權利要 求1所述的二維位敏中子探測器讀出裝置，其特徵在於:所述比較器為AD8564比較器。
8.根據權利要求1所述的二維位敏中子探測器讀出裝置，其特徵在於:所述DAC為MAX5316數模轉換器。
9.一種利用權利要求1~8中任一項所述的二維位敏中子探測器讀出裝置的讀出方法，其特徵在於，包括如下步驟: 步驟1.PMT光電倍增管發出光電子信號，通過PMT通道輸送至PMT前置放大器，將光電子信號放大至IOOmV以上，放大後的光電子信號輸送至預放大器； 步驟2.預放大器進一步放大光電子信號，將光電子信號放大至700mV以上，並將放大後的光電子信號輸送至比較器的正輸入端； 步驟3.DAC數模轉換器產生電壓為O~2V，解析度為5mV，幅度可調的閾值信號，並將該閾值信號輸送至比較器的負輸入端； 步驟4.比較器將光電子信號與閾值信號比較，光電子信號小於閾值信號則比較器輸出低電平，光電子信號大於閾值信號則比較器輸出高電平，當輸出高電平時光電子信號判定為有效光電子信號，將比較結果通過比較器輸入接口輸送至數據鎖存器； 步驟5.觸發信號通過觸發信號接口控制數據鎖存器將比較器輸入接口的數據狀態鎖存在數據鎖存器陣列中，同時鎖存時基信號，所述時基信號為自動觸發序號或者實時時鐘信號; 步驟6.預處理器讀取數據鎖存器陣列中的數據至FIFO先進先出隊列中，同時將數據通過網絡通信埠發送至資料庫伺服器。
10.根據權利要求9所述的二維位敏中子探測器讀出裝置的讀出方法，其特徵在於:所述觸發信號為外部觸發信號或內部控制基於時鐘的定時自動觸發信號。
【文檔編號】G01T3/00GK104020485SQ201410244038
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月4日 優先權日:2014年6月4日
【發明者】張志堅, 康麗, 陳平平, 楊雷 申請人:東莞理工學院