PandaX-nT暗物质探测实验读出电子学预研系统的研制

PandaX-nT升级对电子学系统提出了诸多新的挑战,如更多的通道数、高速高精度的波形数字化、灵活的触发算法和更高的数据带宽要求等。本文介绍一种为未来PandaX-nT暗物质直接探测升级实验预研的读出电子学系统。该电子学系统主要由前置放大电路模块、波形数字化模块(FDM)、数据获取模块(DAQ)和时钟分发模块等组成。FDM集成8路14 bit@1 GS/s ADC,具有较高集成度,可实现对探测器信号波形数字化,并通过光纤与DAQ通信。DAQ可汇总多块FDM数据,实现全数字化的触发算法,并通过基于TCP协议的千兆以太网与计算机通信,保证了数据传输的可靠与稳定。目前已完成了整个读出电子学系统设计,并对整个电子学系统进行了功能验证,以及与探测器进行了初步的联合测试。整个电子学系统具有较高的可扩展性,并能实现更复杂的触发算法,能满足下一代升级的需求。     

PandaX-nT暗物质探测实验读出电子学预研系统的研制

PandaX-nT升级对电子学系统提出了诸多新的挑战,如更多的通道数、高速高精度的波形数字化、灵活的触发算法和更高的数据带宽要求等。本文介绍一种为未来PandaX-nT暗物质直接探测升级实验预研的读出电子学系统。该电子学系统主要由前置放大电路模块、波形数字化模块(FDM)、数据获取模块(DAQ)和时钟分发模块等组成。FDM集成8路14 bit@1 GS/s ADC,具有较高集成度,可实现对探测器信号波形数字化,并通过光纤与DAQ通信。DAQ可汇总多块FDM数据,实现全数字化的触发算法,并通过基于TCP协议的千兆以太网与计算机通信,保证了数据传输的可靠与稳定。目前已完成了整个读出电子学系统设计,并对整个电子学系统进行了功能验证,以及与探测器进行了初步的联合测试。整个电子学系统具有较高的可扩展性,并能实现更复杂的触发算法,能满足下一代升级的需求。     

中性束注入器水流热量计系统优化分析

介绍了用于计算中性束注入实验中束流功率沉积的水流热量计系统优化及优化后的测试结果。前期的水流热量计系统利用串口传输和分散式牛顿模块采集,采样率低、传输速度慢、抗干扰能力差、无法满足实验要求;优化后的系统基于虚拟仪器,采用TCP\IP协议传输和虚拟仪器技术,提高了系统的采样率和精度、优化了数据传输速度及抗干扰能力。优化后的系统经测试可以准确监测中性束注入器装置上各热承载部件冷却水的温升及流量,并分析得到中性束注入时束流在各热承载部件上的功率沉积。实验结果表明优化后的系统工作稳定,使用灵活,数据准确,满足实验要求。     

基于FPGA的核信号高速采集系统的设计

对核信号高速采集系统的研究可实现数字核信号处理方法的改进与算法的验证,以及对数字化核能谱测量系统性能指标的提升具有重要意义。研发一套核信号高速采集系统,通过高速ADC将信号调理电路输出核脉冲信号进行采样,同时在FPGA系统中实现FIFO、USB接口传输功能,将采样后的数据经过FIFO缓存,再通过USB接口传送给后续计算机系统进行保存、显示与进一步处理。在搭建的核信号采集系统上进行测试,通过对5、10、20与33.3 MHz采样率下得到的核信号进行分析与讨论,表明该系统可有效地实现核信号的高速采集。     

基于PXI Express的托卡马克同步数据采集系统设计

随着J-TEXT装置的发展,原有的数据采集系统在稳定性、模块化、采样率等方面已不能满足装置运行的需要,所以需建立一套新的数据采集系统来满足实验需求。本文介绍了基于PXI Express的托卡马克分布式高速同步数据采集系统的设计与实现。系统的采集单元由PXIe机箱NI PXIe-1062Q、PXIe控制器NI PXIe-8133和高速同步数据采集卡NI PXIe-6368组成,兼容ITER CODAC最新标准,具有良好的机械封装性、模块化程度高和高采样率等优点。系统采用同步差分采集方式采集实验数据,并将数据存储于核聚变领域通用的MDSplus数据库中。测试和使用结果表明,系统能在2 MSps采样率下连续稳定工作,可较好地满足装置运行的需要。     

高速可靠的工业CT数据传输系统研制

为满足工业CT数据传输的大容量、高速度和高可靠性要求,设计了基于USB2.0接口芯片的工业CT数据传输系统。在数据传输过程中,FPGA作为主控制器,USB2.0芯片CY7C68013A工作于Slave FIFO模式,将从数据采集系统获得的数据传输给上位机进行图像重建。测试结果表明,数据传输速度可达33 MB/s,传输准确率为100%,该系统能满足工业CT数据传输的要求。     

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。     

用于核反应测量的脉冲波形数字甄别系统设计方案

针对核物理实验对核反应测量脉冲波形甄别系统的性能要求,提出了基于多片高速A/D和高端FPGA的数字化脉冲波形甄别系统设计方案。高速A/D完成对探测器输出波形信号的数字化,而后通过可编程的方式在FPGA内部采用先进的数字信号处理算法完成对信号的甄别,可以解决模拟电子线路对超大信号难以处理的问题,进而对探测器输出不同粒子特征进行准确提取,实现准确实时地触发高速数据采集主板系统。     

基于PCI接口的瞬态波形记录仪

阐述了一套基于PCI接口采样率达200M／s的瞬态波形记录仪的结构及其性能。该系统适用于对高速、宽带的瞬态信号进行数字化处理。     

一种高性能多通道海洋地震勘探数据读出系统的设计

介绍了一种用于海洋地震勘探的高性能、多通道数据读出系统,该系统基于先进的Compact PCI平台,由拖缆数据读出和预处理插件、系统同步插件以及数据汇聚传输插件组成,各模块之间通过高速背板总线进行数据交互,并通过千兆以太网将数据传输至数据获取系统。实验室测试和海上作业实验表明,本读出系统架构合理、配置灵活、工作可靠,能够完成高精度三维海洋地震勘探对读出系统的实时处理和传输的要求。     

基于Qt框架的APV25数据采集系统研究

Qt框架是基于C++的跨平台可视化编程框架。本文采用APV25电子学前端卡、APVDS电子学数字化后端板和基于Qt框架的数据采集软件,开发了具有高通道数、高性能和高集成度的数据采集系统。该系统可跨平台使用并显示实时采样波形。数据采集系统最多可使用16块APV25前端卡、4个APVDS,通过千兆以太网经交换机与计算机连接。通过测试,该系统可在1 024通道下工作并实时显示采样波形,传输速率可达715 Mb/s,且测试中系统能以1.70 kHz的触发率在单次触发连续采样31个点模式下稳定工作。与原系统相比,显著提高了通道数量,简化了系统操作,提高了测量的效率与稳定性。采集系统未来可扩展通道数量为2 048,适用于大面积微结构气体探测器实验。     

4π BaF2装置的触发系统研究

设计了一套γ全吸收型BaF₂探测装置,用于中子辐射俘获反应截面的在线测量,其中信号测量部分采用了基于高速采集卡的数字化脉冲波形采集技术。并设计了一套触发系统,由触发单元产生的信号作为数据获取系统的外触发控制数据采集,以在数据测量过程中剔除绝大多数本底事件。触发系统采用了符合测量技术,通过多通道、多参数之间的符合测量,实现释放瞬发级联γ射线的中子俘获反应事件的判选和本底的剔除。本文对触发系统的电路设计和实验测试进行了阐述。     

便携式双通道多道核谱仪中数据采集系统的设计

介绍应用FPGA为核心芯片配合峰保电路、高速A／D转换电路以及USB接口电路实现了便携式双通道多道核谱仪中数据采集系统；给出了软硬件的实现方案和实验结果；该系统具有采集精度高、传输快等特点，同时为进一步实现多通道信号采集提供了很好的参考价值。     

一种STD总线微机支持的多通道核数据获取系统

本文介绍—种STD总线微机支持的多通道核数据获取系统,它具有性能可靠,组合灵活,结构紧凑,易于系统扩充、更新和维护等优点。可在较严酷的环境下工作,尤其适用于中、小规模的核物理、空间物理及大型实验系统的前端和预先研究系统中。     

面向暗物质直接探测的原型液氩探测器读出电子学系统设计

针对面向暗物质直接探测的t级原型液氩探测器的信号读出需求,本文设计了1套基于高速、高精度波形数字化技术及PXI Express高速仪器总线技术的读出电子学系统。该系统采用多个波形数字化模块和1个全局触发模块,实现单机箱40路光电倍增管信号的同步采集。系统具有很好的灵活性和可扩展性,通过将多个机箱的触发模块级联可进一步将系统规模扩展至数百通道。该系统研制完成后,配合1个10 kg级的小型液氩探测器开展了单光电子标定和放射源联调测试。通过放射源测试,获得了高质量的液氩探测器闪烁光信号波形。利用脉冲形状甄别算法,可清晰区分核反冲事例和γ事例,初步结果表明,在80~240 pe(光电子)信号幅度范围内的17万个事例中,没有电子反冲信号被误判为中子信号,验证了读出电子学技术路线和设计方案的可行性。     

基于USB和FPGA的多功能数据采集系统

设计并实现了一种基于USB接口的多功能数据采集系统。该系统支持4路模拟信号输入,通过高速ADC进行采样,数字化后的数据由FPGA进行处理,可实现波形采样、脉冲计数、多道脉冲幅度分析、电荷分配法信号读出等功能。下位机硬件和PC通过USB接口通信,上位机软件采用Labview编写,负责初始化硬件以及参数配置,读取采集数据并进行数据在线处理以及结果的实时显示。     

Design of Readout Electronics System for Prototype LAr-based Direct Dark Matter Detector

The prototype readout electronics system of direct dark matter detection experiments, which is mainly based on high speed and high precision waveform sampling and high speed data transfer techniques, consists of multiple waveform digitization modules (WDMs) and one global trigger module (GTM). The WDM exploits high speed analog-to-digital converter to acquire signals from the photomultiplier tubes (PMTs). The GTM collects hit information from WDMs, generates system trigger signal and fans out synchronous clock to all WDMs via backplane buses. Based on offline pulse shape discrimination method, the nuclear recoil events from a PuC neutron source can be clearly distinguished from gamma events within the energy range of 80 pe (photoelectron) to 240 pe for gamma rays, which indicates the capability of fulfilling the requirements of LAr-based direct dark matter detection experiments in future.     

空间单粒子翻转甄别与定位系统原理样机的设计及试验

单粒子翻转（SEU）是影响空间电子设备可靠性的重要因素,本文提出了一种SEU甄别与定位技术方法,研制了原理样机。硅探测器与辐照敏感器件在垂直方向相互临近安装,粒子入射到硅探测器的位置区域与目标辐照器件单粒子翻转的物理位置相对应。采用波形数字化技术实现了多道粒子甄别与能量信号测量,通过数据回读比较法实现了SRAM器件翻转逻辑定位检测。根据实验室测试和单粒子辐照试验结果,可探测高能粒子的LET≥6?06×10-3 MeV·cm2/mg,入射粒子的位置分辨率优于5 mm,最大计数率≥10 000 s-1,SRAM器件的SEU巡检周期时间分辨率为13?76 ms。通过掌握大容量SRAM型器件的SEU甄别与定位及其辐射环境感知能力,有助于提升空间电子设备的在轨工作性能。