高密度塑料闪烁体探测器的数据获取系统设计

由中国科学院近代物理研究所承担的塑料闪烁体探测器研究项目,其目标是开展空间粒子探测、重构入射电子轨迹、区分电子和光子、鉴别重离子。为配合该探测器测试工作,设计了一套完备的数据获取电路(DAQ)与上位机软件。DAQ接收4块前端电子学(FEE)板的数据,可完成360路电子学通道的数据读出;接收上位机的控制命令并分发给各FEE;接收探测器的击中信息并产生触发信号;接收FEE的遥测数据并传给上位机。该DAQ与上位机通过USB总线和RS232总线实现实时通信。上位机软件基于LabWindows/CVI软件平台开发,实现对FEE电子学系统的控制、数据读取与保存,以及FEE系统运行状态参数信息的实时显示。该数据获取系统电路结构紧凑、功能完善,上位机软件具有良好的人机交互界面。经现场实际运行,DAQ与上位机软件满足设计要求,目前已成功应用于塑料闪烁体探测器读出电子学测试系统。     

CSNS工程GPPD谱仪主探测器读出电子学的研制

中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source,CSNS)工程通用粉末衍射谱仪(General Purpose Powder Diffractometer,GPPD)采用闪烁体探测器作为主探测器。为满足谱仪的设计需求,读出电子学系统要求在实现高达数千通道数据读出的同时,完成高精度的中子探测。基于设计目标,以及进一步提高读出系统的集成度和灵活性,读出电子学系统采用了"子板+母板"的架构。前放子板采用专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit,ASIC)实现探测器输出信号的放大、成形、甄别等模拟调理;母板固件采用了多级流水线机制的设计方法,在保证数据并行性和可靠性的同时,进一步减小了数据处理的死时间,实现数据的采集打包、缓存等处理,最终数据通过千兆以太网传到后端数据处理系统,便于数据的分析处理。对设计实现的读出电子学系统的评估测试结果表明:最小时间分辨11 ns,单通道计数率200 K?s-1,各项指标均好于设计目标。目前所有读出电子学单元已部署到GPPD工程现场并长期稳定运行,为谱仪顺利开展实验提供了可靠保证。     

脉冲激光模拟单粒子效应研究

脉冲激光在集成电路和器件单粒子效应(Single Event Effect,SEE)研究中有着广泛的应用。与重离子源相比,通过脉冲激光诱发SEE更容易获得空间信息和时间信息。本文介绍激光诱发SEE的产生机理、模拟试验设置以及线性能量传输(Linear Energy Transfer,LET)算法,通过皮秒激光诱发单光子与飞秒激光诱发双光子的模拟试验,对SEE现象发生时电压响应与能量的关系进行分析,验证了脉冲激光在SEE研究中的有效性和可行性。     

CBM-TOF超级模块高密度数据前端读出设计

为满足超级模块探测器质量评估的数据读出需求,设计了一种基于"三明治"结构的前端高密度数据读出方法。利用FPGA技术实现320通道时间数字化数据读出和自定义协议处理,并通过片内高速串行收发器与光纤进行长距离数据传输。在外部回环模式下的测试结果表明,6 Gb/s高速链路误码率小于10-13的置信度超过95%,接收TDC数据和自定义协议处理功能正常,系统连续稳定运行超过48 h,可满足探测器评估需求。     

VA140的单粒子闩锁试验研究

专用集成电路是为特定用户或特定电子系统制作的集成电路,具有高性能、高可靠性等优点。专用集成电路VA140是中国暗物质卫星有效载荷硅微条探测器的关键器件。为测试VA140的抗单粒子闩锁特性,设计了简单的测试系统。应用兰州近代物理研究所重离子加速器进行测试,得到了有效试验数据。对试验数据进行处理,得到了VA140的闩锁截面与线性能量传输值的关系曲线、VA140的闩锁阈值及饱和截面,为其航天应用提供必要试验依据。     

基于以太网传输的高速32通道数据采集系统

本文介绍了一种基于以太网传输的32路高速数据采集系统,该系统主要用于核燃料棒质量检测中,可以对核燃料棒检测传感器发送的数据进行采集和分析。该系统包括数据接收模块、系统控制模块、网络通信模块和上位机数据分析控制软件四个部分。系统使用FPGA来进行数据的接收和计数,使用ARM作为整个系统的主控芯片来控制各个模块之间协调运行,同时利用ARM对数据进行组包并将组包后的数据通过以太网传输到上位机,最后由上位机对数据采集装置上传的数据进行接收和处理。经测试证明系统工作稳定,可以达到工业检测要求。     

BESIII事例筛选软件框架

北京正负电子对撞机BEPCII上的北京谱议BESIII正在建造之中,BESIII在线数据获取系统中的事例筛选软件主要由事例筛选数据流控制程序(Event Filter Dataflow,EFD)、任务处理器(Processing Task,PT)两个部分组成.离线软件事例选择程序会被任务处理器调用来处理和选择事例.BESIII事例筛选软件的主要功能是从事例组装器中获得完整事例,使用离线软件事例选择程序提供的快速重建算法分析事例,压缩本底的同时高效地把好事例传送给事例存储系统.本文将着眼于BESIII事例筛选软件的框架构成、组件分工、数据流、配置方法等,并通过运行测试考验其稳定性.     

中子物理实验装置辐射安全联锁系统

中子物理实验装置是一台用于钍铀燃料循环系统中子截面测量的加速器装置,在运行时不可避免地产生电离辐射,为了避免人员误入高辐射区受到辐射危害,建立了基于冗余控制技术的辐射安全联锁系统。系统根据人员进出的控制模型,以高可靠性的硬冗余可编程逻辑控制器(PLC)为核心,开发了逻辑控制程序,实现了对联锁设备的控制。经现场测试,辐射安全联锁系统运行稳定、可靠,保护了人员的辐射安全,满足了系统的设计要求。     

CSNS RCS环BPM电子学实现

中国散裂中子源(CSNS)快循环同步环(RCS)上需要束流位置检测器(BPM)来检测束流位置偏移。论文介绍该系统中读出电路的设计和实现。设计BPM读出电路的最大挑战就是接收和处理大动态范围(5.8 mV~32 V)和变化宽度(80~500 ns)的探头引出信号。文中介绍的模拟电路,采用由模拟运放和模拟开关构成可变增益放大器的结构,能够接收和处理该探头引出信号。另外,对于一个BPM系统,精确的实时束流位置检测是必须的。本设计基于FPGA,开发了计算逐束团位置信息和束流闭轨模式位置信息的实时算法。此外,设计实现了工程所需的各种功能,包括30 s逐束团位置缓存、基于VME总线的数据读出和控制、FPGA程序的在线加载等。初步测试显示,在最小信号10 mV时,逐束团位置分辨是0.9 mm,束流闭轨模式位置分辨为50μm。     

八通道1Gsps数据采集系统设计与测试

介绍了一种基于Flash ADC和FPGA(现场可编程门阵列)的八通道1 Gsps数据采集系统的设计与测试.重点讨论了系统设计的关键点、难点,包括1 GHz时钟信号的产生和扇出,500 MHz源同步数据的捕获、处理,高速PCB设计.另外还介绍了系统的测试,描述了1 GHz时钟信号的测试结果以及系统主要性能的测试结果.     

~(60)Co船只辐射成像嵌入式数据获取系统设计

介绍了~(60)Co辐射成像检查系统中嵌入式数据获取系统的设计,重点介绍了基于模块化驱动和网络传输的嵌入式数据获取系统的组成,采用分时复用方式简化了系统各部分接口设计。嵌入式系统作为数据采集系统的控制中心,通过以太网接收上位机的控制命令,产生采集控制时序,从前置放大器读取数据并缓存、传输至上位机。经过对系统性能的测试,验证了该嵌入式数据获取系统具有连接接口简洁、便于扩展、性能稳定可靠的特点。     

BELLEII实验高速数据接收板的设计

在高能物理实验中,随着加速器和探测器性能的提高,数据获取系统正面临着越来越大的海量数据实时可靠传输的挑战。BELLEII探测器是运行在SuperKEKB高亮度加速器上的新型探测器,其数据获取系统也面临这一难题。基于FPGA的高速数据接收模块(HSLB)作为数据获取系统的数据传输核心,采用RocketIO技术实现高速串行数据传输,满足速率3.125 Gbps的设计要求;与专用接口连接的CPLD作为控制芯片在线配置FPGA固件,提供快速硬件程序加载,高速链路共享,高速数据传输和慢控制命令传输的功能。论文详细描述了高速数据传输模块的硬件设计、在线配置FPGA的实现方案。经过测试,该模块成功实现设计目标,并已经按工程进度进行了小批量生产。     

高计数率气体探测器读出电子学原型机研制

研制一套可用于高计数率气体探测器的读出电子学原型机系统,包括前端板、数据采集板和上位机。前端板采用一款先进的前端读出专用集成电路(ASIC)芯片实现对探测器信号的测量和模数转换;数据采集板利用现场可编程门阵列（FPGA）实现对数据的分析、处理和传输;上位机实现控制指令发送、PC端数据接收及存储等。在22~99 fC的输入范围内,原型机各通道积分非线性均好于024%;联合探测器使用55Fe放射源测试,结果好于相同条件下的商用电子学。可满足20 kHz计数率下GEM TPC探测器的读出需求。     

ICRP-30附编中 U_s 数据的含义及应用

在ICRP第30号出版物(简称ICRP-30)附编~([1])中给出了估算内照射剂量所需要的一系列剂量学数据表,其中核转变数表(简称U_s表)和比有效能量表(简称SEE表)是附编中最基本的数据表。U_s表与SEE表连用可以计算得到约定剂量当量(H_(50))等其他数据表。U_s表还可以用于其他用途的计算,比如,有人提出过用U_s数据计算体负荷的方法~([2])。     

LHAASO KM2A电磁粒子探测器电子学测试系统设计

设计了用于高海拔宇宙线观测站(LHAASO) KM2A探测器阵列中的电磁粒子探测器的电子学测试平台。设计包括三个模块,分别是RSC衰减器控制系统、数据采集系统和数据处理系统。采用LabVIEW对整体的平台进行程序编写,系统通过控制RSC衰减器来控制产生信号的幅度变化,通过TCP/IP协议接收数据并存盘,系统对数据进行处理与分析。本文从测试需求出发,详细介绍了电子学测试系统的设计方法与应用试验。试验结果表明:该系统满足测试需求,为LHAASO KM2A ED电子学提供了高效、智能且自动化的测试平台。     

基于塑料闪烁体光纤阵列的中子探测系统设计

为了能探测高能中子,获得中子能谱信息,设计了一套基于塑料闪烁体光纤和多路复用技术的中子探测系统。利用梯度尺寸结构的阵列化探头感应中子入射的能量和方向。多路复用数据采集及读出单元接收探测器输出信号并产生触发信号,经处理后上传给上位机。数据采集及读出系统通过以太网实现实时通信。上位机程序基于LabWindows/CVI软件平台开发,实现数据读取与保存以及采集系统运行状态参数信息的实时显示。通过中子模拟源进行了现场测试,结果表明,设计的中子探测系统满足设计要求,能实现中子能量与入射方向的测量。     

SXFEL和DCLS束流截面测量系统软件设计

介绍了SXFEL和DCLS束流截面测量系统的软件设计方法。该系统基于以太网和EPICS分布式系统,并采用EPICS-Python方式进行设计,实现了CCD相机和步进电机的控制,完成了图像采集数据的拟合处理。经SXFEL和DCLS在线运行和测试,该系统主要性能为:成像系统的像素分辨率为13.9μm,重复定位精度为22μm,图像刷新率在内触发模式下可达到66 Hz,满足加速器运行需求。     

上海光源数字化束流位置信号处理器测试平台研制

数字化束流位置信号处理器(Digital Beam Position Monitor Processor,DBPM)是上海光源自主研发作为束流位置监测(Beam Position Monitor,BPM)的主要设备。针对DBPM电子学处理器产品化测试需求开发了一套基于MATLAB和程控技术的自动化测试平台,用于处理器批量测试验收和性能评估。平台使用Agilent MXG信号源和一分四功分器模拟4路真实探头信号,经过处理器采集处理后被上位机接收。测试仪器的设置和实验数据的获取,整个系统是基于客户端和服务器架构实现的。采用物理实验与工业控制系统(Experimental Physics and Industrial Control System,EPICS)的通道访问Lab CA接口实现数据的实时采集。目前该测试平台已经成功应用于大连自由电子激光装置和上海软X射线自由电子激光装置的DBPM处理器验收测试,处理器幅频响应曲线,不同衰减下模数变换器(Analog to Digital Converter,ADC)噪声水平测试、衰减步长一致性、通道间串扰及信噪比测试结果均达到设计指标。     

基于CSS的NBI射频离子源控制程序设计

离子源是中性束注入器(Neutral Beam Injector,NBI)的关键子系统之一,根据射频离子源的实验和运行需求,本文设计了一套基于物理实验与工业控制系统(Experimental Physics and Industrial Control System,EPICS)架构的控制程序,实现对射频离子源实验和调试过程的远程监控功能。NBI射频离子源控制程序通过集成开发平台(Control System Studio,CSS)的交互界面开发模块(Best OPI Yet,BOY)实现友好的人机交互界面,使用Jython实现界面逻辑,支持服务器/客户端和EPICS两种通信架构。程序已经上线近半年,实验表明,射频离子源控制程序具备了放电模式设置、时序幅值设置、设备状态实时监控、采集数据实时波形显示等功能,满足了射频离子源实验的远程控制和数据可视化的需求。     

GEM探测器读出电子学ADC采样系统设计

本文简要介绍了GEM探测器读出电子学ADC采样系统设计与测试。该系统包括模数变换模块、数据汇总模块和后端数据接收模块三部分。本文详细介绍了模数变换模块硬件电路设计、FPGA逻辑设计、光纤数据传输设计以及ADC采样芯片的测试方法。经过测试,该系统实现了8通道数据实时采集、传输、存储及显示功能。