（粒子物理与原子核物理专业论文）gtaf装置软件系统的设计和测试.pdf

兰州大学研究生学位论文 摘要 为了精确测量k e v 能区的中子俘获截面，中国原子能科学研究院经过详细的 讨论研究设计提出建造了一套4 全吸收型b a f 2y 探测器g t a f ( g a m m a - r a y t o t a la b s o r p t i o nf a c i l i t y ) ，该探测器对丫射线有很高的探测效率和很好的能量及 时间分辨，并且由于其时间分辨在6 0 0 p s 左右，所以俘获中子的能量可以通过飞 行时间来测定。这些特征组合起来使得该探测器可以较为精确地测定样品的俘获 截面比。 g t a f 装置以a c q i r i s 公司生产的一种8 位的f l a s ha d c ( d c2 7 1 a ) 作为数字 化获取数据的基础，通过后期的软件处理得到相应的物理信息。因此，与之配套 的数据获取与处理软件是该装置能够正常运行的关键。 在数据获取方面，我们首先在w i n d o w sx p 下熟悉了d c2 7 1 a 的d e m o 的使 用，并且确定了实验中的参数大小。然后根据实际需要估算了在数据获取，数据 压缩，物理事件重组和数据存储方面软件系统需要达到的性能，并确定了相应的 物理设计，为程序的算法设计提供了指导。最后在模拟的实验环境中对根据上述 设计编写的软件进行了性能测试。 在数据分析方面，我们对数字化脉冲的能谱计算的算法，数字化脉冲的中子 飞行时间谱的算法，事件多重性的算法，高压自动控制程序等算法提出了物理思 想上的解决方案，并对相应的程序进行了功能测试。 测试结果表明本套软件系统对数据的压缩没有失真，对q ，y 粒子的甄别 算法基本有效，数据获取系统的效率达到了设计要求，对数字化脉冲的各种物理 信息的拾取也基本正确。本论文所做工作为g t a f 装置在今后实际工作中的正常 运行奠定了基础。 关键词：中子俘获截面，b a f 2 晶体，f l a s ha d c ，数字化数据获取，粒子甄别， 兰州大学研究生学位论文 a b s t r a c t a4 冗t o t a la b s o r p t i o nb a r i u mf l u o r i d ed e t e c t o rg t a f ( g a m m a - r a yt o t a la b s o r p t i o n f a c i l i t y ) h a sb e e nd e s i g n e da n db u i l ta m p l yb yt h ec 眦( t h ec h i n e s ei n s t i t u t eo f a t o m i ce n e r g y ) f o ra c c u r a t em e a s u r e m e n t so fn e u t r o nc a p t u r ec r o s ss e c t i o n si nt h e k e ve n e r g yr a n g e t i l i sd e t e c t o rh a sh i g he f f i c i e n c yf o rg a m m a r a y s g o o de n e r g ya n d t i m er e s o l u t i o n 硒ee n e r g i e so f 豳ec a p t u r e dn e u t r o n sa r et ob em e a s u r e db yt h et o f ( t i m e - o f - f l i g h t ) ，f o rt h ed e t e c t o rh a sat i m er e s o l u t i o no fa b o u t6 0 0 p s t h ec a p t u r e c r o s ss e c t i o nr a t i oo ft w oi s o t o p e sc a l lb ed e t e r m i n e da c c u r a t e l yw i t ha l it h ef e a t u r e s t h ed a t aa c q u i s i t i o no fg 忑皤b a s e so na8b i tf l a s hk b c ( d c2 7 1 a 、m a d eb y a c q i r i sc o ) ，a n dt h eu s e f u lp h y s i c a l i n f o r m a t i o ni so b t a i n e db y 也eo t t l i n es o f t w a r e t h e r e b y , m ek e yo f 也i sd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi sas u i to fs u i t a b l es o l , r a r e b e f o r et h ed e s i g no ft h ed a t aa c q u i s i t i o ns o f t w a r e ，d c2 71 a sd e m os o t t w a r e w a sm a d eu s eo fi nw i n d o w sx pt of i xo nt h es u i t a b l ep a r a m e t e r sf o rt h ef u r t h e r e x p e r i m e n t 1 1 1 ep h y s i c st h o u g h tw a sd e s i g n e di nd a t ag e t t i n gs o f t w a r e ，d a t a c o m p r e s s i n gs o f t w a r ea n dd a t as t o r i n gs o t h v a r e ，w h i c hc o n s i d e r e dt h ea c t u a l e x p e r i m e n t s t h es o f t w a r ew a st e s t e dw e l lb ys o m ee x p e r i m e n t sw h i c hw ed e s i g n e d t h e nt h ed a t aa n a l y s i ss o f 栅a r ew a sd e s i g n e d t h ep h y s i c st h o u g h tw a sa l s o d e s i g n e di nt h ec o u n to fe n e r g ys p e c t r u m ，t h ec o u n to fn e u t r o nt i m eo ff l i g h ta n dt h e a u t o m a t i cc o n t r o lo fh i g hv o l t a g es o f t w a r e t h es o t h a r ew a sa l s ot e s t e db y8 0 m e d e s i g n e de x p e r i m e n t s t h er e s u l t so ft h et e s t ss h o wt h a tt h ed e s i g n e ds o l , r a r ew a ss u c c e s s f u l t h e e x p e r i m e n t a ld a t ac a nb ec o m p r e s s e da c c u r a t e l y t h e a n dvp a r t i c l e sc a nb e d i s c r i m i n a t e dr i g h t l y t h ee f f i c i e n c yo ft h i ss o f t w a r em e e t st h en e e d so ft h ef u r t h e r e x p e r i m e n t sw e l l t h ea c c u r a t ep h y s i c a li n f o r m a t i o nc a nb eo b t a i n e df r o mt h ed i g i t a l d a t at h r o u g ht h ed e s i g n e ds o f t w a r e 啦sw o r ki sv e r yi m p o r t a n tf o rt h eg 1 = 舡i nt h ef u t u r ee x p e r i m e n t s k e y w o r d s ：n e u t r o ne a p t u r ec r o s ss e c t i o n ，b a r i u mf l u o r i d ec r y s t a l s ，h a s ha d c ， d i 百t , a ld a t aa c q u i s i t i o n ，p a r t i c l ed i s c r i m i n a t i o n n 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立 进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发 表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明 引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研 成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 。 论文作者签名：盏丝垫 日 期：至丝：乙 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定， 同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版， 允许论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和 汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相 关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：三超导师签名：她日 期：时6 厶， 兰州大学研究生学位论文 第一章绪论 1 1 中子俘获反应概述 中子存在于除氢以外的所有原子核中，是构成原子核的重要组分。自1 9 3 2 年恰德维克( c h a d w i c h ) 等人发现中子以来，人们对于中子的基本性质进行了大 量研究。尤其是1 9 3 8 年发现中子能引起重核裂变，释放出核能以后，人们更是 以很大的精力研究中子和物质相互作用的性质，为建立反应堆和制造原子弹提供 了许多有用的数据 1 。 中子具有电中性，它与物质相互作用时，其能量主要损失在中子与原子核的 作用过程中，这与带电粒子与物质作用时能量损失以电磁相互作用为主不同。所 以研究中子与物质作用时，主要是研究中子与原子核的相互作用过程。核在被中 子撞击以后，如果在核的组成或是在核内部能量与作用前相比都没有任何变化， 这一过程就称为中子与核发生了弹性散射。如果作用后原子核的成分虽然没有变 化，但核被激发到某一个激发态上，就称为非弹性散射过程。通常用( n ，n ) 和 ( n ，n ) 来表示弹性和非弹性散射过程。 核反应是指中子与核作用时，中子被核吸收而出射出其它粒子的过程。中子 与物质相互作用可以发生多种核反应如：击出多个中子的反应如( n ，2 n ) ，( n ， 3 n ) ；出射带电粒子的反应如( n ，p ) ，( n ，a ) ；裂变反应( n ，f ) 等。( n ， 丫) 反应就是其中一个重要的反应。由于反应的产物是侑射，也称为辐射俘获反 应 2 。 辐射俘获反应即( n ，丫) 反应，是中子被核吸收而产生懒射。核俘获中子后 形成的复合核处于很高的激发态，当( n ，丫) 反应发生时， m ( a ) + m + e t = m ( a + l 卜e 。 其中m ( a ) 是核子数为a 的静质量能，m ( 哪是中子的静质量能，m ( a 十1 ) 是( n ， 丫) 反应后所得复合核的静质量能，e = - 为中子在质心系的动能。此时复合核( a + 1 ) 处在高激发态，其激发能为e e 吨+ e 7 兰州大学研究生学位论文 q 为复合核的结合能，其值为正值，通常在6 - 8 m e v 之间。 处在高激发态的复合核随即通过发射1 ，射线退激。发射丫射线的方式多种多 样，但不管有多少种丫射线级联发射，其谢线的能量总和e 罗应为激发能e 。 如下图： 图1 - 1( n ，丫) 辐射俘获截面测量原理 中子俘获截面是重要的核参数，其中k e v 能区的中子俘获截面，是核反应理 论、元素合成和核反应堆设计的重要参数，目前其重要意义主要表现在以下两个 应用领域： i ) 在核天体物理学中，定量研究核合成过程中的所谓慢中子俘获过程( s 过程) 3 4 1 ，需要相关同位素中子俘获截面的精确数据。 核天体物理学普遍接受的观点是只有最轻的核素是在大爆炸中形成的，比如 氢、氦和少量的锂。所有其它元素在星体中形成。比铁轻的元素( 翮6 ) 在融 合反应中产生，所有较重的元素从锌到铀只能通过连续的中子俘获反应来合成。 可以根据中子俘获的时间尺度来区分两个核合成过程。慢中子俘获过程( s 过程) 发生在中子密度为1 0 8 c m 3 的地方，两次连续俘获事件的时间间隔为l 到1 0 年。快中子俘获过程( r 过程) 在中子密度高得多的区域实现( 大于1 0 2 0 c m 3 ) ， 其俘获时间在毫秒量级。 对任何定量的s 过程模型，相关的同位素的中子俘获截面是最重要的输入数 据。由于s - 过程发生在星体氦燃烧过程中( 比如在恒星演化的后阶段) ，其典型 温度在2 3 亿k ，相应的中子能谱代表温度约k t = 2 5k e v 的m a x w e l l b o l t z m a n n 分 布。因此，相关俘获截面的实验测量必须覆盖的能量范围达到2 0 0 k e v 。 2 ) 在实际应用中，k e v 能区中子俘获截面的精确数据在设计反应堆时是必 2 兰州大学研究生学位论文 需的。 - 由于反应堆依靠中子和核能燃料的自持链式裂变反应来释放能量，所以对于 中子在堆中的行为和所遇到的种种物理过程，必须在实验方面进行深入细致的研 究，例如：必须预先测量不同能量的中子同各种原子核产生各种相互作用( 裂变、 辐射俘获等等) 的截面，必须研究中子在堆中的运动，以及中子散射后的角分布 和能量损失，并根据这些实验数据和反应堆中各种材料的性质、用量和配置方式， 计算出中子能量的空间分布和能量分布，再通过实测加以验证。可见，精确截面 数据的获得，对于反应堆设计过程中子计算的精确度是相当重要的，比如快增殖 反应堆就特别关- l , 1 0 - 3 0 0 k e v 能区的中子俘获截面【5 。 然而，想要精确记录一个中子俘获事件是比较困难的，因为俘获过程中产生 一个瞬发丫射线级联，多重性和单个1 ，射线的能量是由跃迁到一系列可能到达的核 能级的几率确定的。级联的平均y 射线多重性为3 , - - 4 ，最大达到1 0 。唯一固定的量 是级联1 ，的总能量，它对应于俘获中子的结合能( 对s 过程研究有意义的大多数 同位素，其结合能为6 - - - s m e v ) ，它随俘获中子动能的增加而增大。 1 2 中子俘获截面测量方法概述 历史上对于中子( n ，丫) 辐射俘获截面的测量有过很多种测量，如果以是 否使用加速器来区分，有离线和在线两种方法。 通常所指的离线方法即活化法：该法是用一定能量和流强的中子轰击待测试 样，然后测定( 一般用肿g e ) 由核反应生成的放射性核素衰变时放出的缓发辐 射或者直接测定核反应放出的瞬发辐射。在测量中子俘获截面时，一般用相对于 a u 的中子俘获截面，测量某能区核素的俘获截面。 这种方法有很大的局限性，首先要求其剩余核具有放射性，并且剩余核的半 衰期不能太短或太长，相比之下，直接测量瞬发的退激y 的在线方法具有更好的 普适性，因此建立了多种装置，比较有代表性的有以下几种： 1 ) 用大的液体闪烁体来探测俘获的y 射线【6 ，7 】测中子俘获截面的方法。如 图1 - 1 所示，样品被放在一个直径是1 m 的液体闪烁体的中心，准直的脉冲中子束 通过管道与样品发生( n 1 ，) 反应。反应所放出的丫射线被液体闪烁体完全探测到， 再通过光电倍增管转化为脉冲信号，从而可以得到丫射线的总能量来推算出样品 3 兰丝奎兰堡壅生兰垡垒奎 一 辐射俘获截面。这种探测器主要的不足是能量分辨很低，不能充分地将俘获事件 从中子被闪烁体材料氢俘获而引起的2 2 m e v 丫射线本底中分离出来。另外，8 0 0 升的液体对6m e v 丫射线6 0 的探测效率太低，不能保证对一个俘获级联的探测 不依赖于多重性。由于这些问题引起的系统不确定度约l o ，这种方法很多年前 就不用了。 2 ) m o x o na n dr a e 8 介绍t - - 种完全不同的方法如图l 2 所示，他们的探测 器绝对效率小，但效率随丫射线能量线性增加。这些特征相结合使得对俘获事件 的探测几率与谢线多重性无关。一个俘获级联的效率等于所有单个级联丫射线效 率之和并且与足够多的事件取平均后得出的谢线总能量成比例 唰= ( e ，) 啦e ，- ke ，耐 这种方法的最大缺点是在l m e v 时效率只有1 ，在实际中也会有3 1 0 攻 。j j 。 - 5 h 朋l 一i 口薅 ? 缓彰殇缓缓缓溯芤嘲：麓彩彩线筋缓场缓 u u 眄嘲i t o n o 了 c) o o o o c o 霾 山蝴啪。刍 - u o 埘d _ 佃_ 一 t 殴二1 3 c n n t i m r 蓁 o o o o o o o 场勿彩瑷缓彩缓功彰缀瑷彩黝 乙一 l n呷l e 舭 嘲n 1 i 喇s o u 鲁c e l 。- ，_ i j- 一 i 。蠢。阴 一 媪 图l - 2 大体积液体闪烁体探测装置 4 兰州大学研究生学位论文 图i - 3m o x o na n dr a e 探测装置 3 ) c 6 d 6 探测器方法 1 1 1 2 。近年来大量使用的用一个体积为l 升的不含氢 的液体闪烁体如c 6 0 6 或c 6 f 6 进行俘获丫射线探测，如图l - 3 所示。这样对级联俘获 可以达到2 0 的俘获效率，同时对散射中子有较低的敏感度。对于这类探测器， 探测效率随着1 ，射线能量的线性增加可以通过所谓的加权函数得到，但加权函数 不但与丫射线能量有关还同封装液体闪烁体的容器、样品、试验装置周围的材料 相关，比较难精确确定，一些通过试验得到的加权函数在高能丫部分同以往的计 算有较大偏差，这使得人们对这种方法所给出的较小的不确定度有所怀疑。 以上方法都不能达到精确测量( n ，丫) 反应截面的目的，为了精确测量中子 的俘获截面需要有更加先进的实验装置。 1 - 4 c 6 d 黼 5 兰州大学研究生学位论文 1 34 nb a f 2 探测器的设计 m u r a d y a n 等人 1 3 3 第一次尝试用4 兀探测器测量中子俘获截面获得了较好 的能量分辨和高的探测效率。但是由于探测器选用的是n a i ( 1 1 1 ) 作为闪烁体材 料，其时问分辨较差不能很好地利用飞行时间法，所以不能精确测量能量范围在 k e v 的中子。y a m a m o t o 等人1 1 4 用b g o 作为闪烁体材料，但他们的设计较为简单 且效率不高不能用于中子反应截面的精确测量。 8 0 年代初发现b a f 2 晶体的发光成分后，人们立即对它产生了极大的兴趣。晶 体有两种发光成分：一种是慢成分，其光衰减时间为6 3 0 n s ，波长峰值为3 1 0 n m ； 另一种为快成分，其光衰减时间为0 6 n s ，波长峰值为2 2 0 n m 1 5 。另外，b a f 2 晶体还有很多其他优点：光产额较高，其快成分光产额为1 4 0 0 m e v 1 ，慢成分的 光产额达9 5 0 0 m e v 1 ；密度大，4 8 9 9 c m 3 ；原子序数z 高，对丫射线探测效率高； 能量分辨好；折射率接近玻璃，发出的光容易进入光电倍增管的光阴极：不怕潮 解，使用及保存方便等。随着b a f 2 晶体作为闪烁体材料的广泛使用，设计制造能 够精确测量中子俘获截面的4 兀探测器成为可能。 下表为几种常用的闪烁体的相 关性质对比。 表1 1 各种闪烁体材料性能 要精确测量( n ，丫) 辐射俘获截面，要求探测器满足以下要求： 1 ) 要对射线的探测效率高，接近1 0 0 0 6 。 2 ) 有较高的能量分辨。 3 ) 有较好的时间分辨。 4 ) 探测器对来自样品上的散射中子探测效率低。 6 兰州大学研究生学位论文 4 7 【球形的b a f ：探测器就能基本满足以上要求。 为此，北京原子能研究院经过详细的设计研究提出了一个由b a f 2 探测器组成 的4 冗全吸收的1 ，探测装置( g t a f ) ，对能量范围达i o m e v 的丫射线具有几乎1 0 0 的探测效率。这个探测器由4 2 个五边( 1 2 个) 和六边( 3 0 个) 棱台形晶体组成一 个内半径为1 0 c m 厚度为1 5 c m 的球壳。单个探测器模块用三个螺栓固定在铝框组 成的球形蜂窝状结构上，如图l - 4 所示。 图l 一5 铝制球形蜂窝状结构 它是一个通用装置，不仅适于中子俘获截面测量，还可以同时测量1 ，射线多 重性、角分布和丫射线谱。与3 m e v 静电加速器相联，这个实验装置还可用于测量 ( p ，丫) 和( q ，1 ，) 反应，这两个反应对轻元素的核合成是有意义的。如果用作多 重性谱仪，也可以测量锕系同位素的裂变与中子俘获截面的比，这在反应堆应用 中是很重要的。 7 兰州大学研究生学位论文 第二章、模拟信号和数字信号的数据获取系统的比较 当前世界上共有4 套4 冗氟化钡丫全吸收探测系统，分别是德国的k a r l s r u h e 的4 兀 b a r i u mf l u o r i d ed e t e c t o r 16 ，美国的l o sa l a m o s 的d a n c e ( d e t e c t o rf o ra d v a n c e d n e u t r o nc a p t u r ee x p e r i m e n t ) 1 7 和c e r n 的t a c ( t o t a la b s o r p t i o nc a l o r i m e t e r ) 【1 8 】，还有就是在建的北京原子能研究院的g t a f ( g a m m a - r a yt o t a la b s o r p t i o n f a c i l i t y ) 。前三者的数据获取系统各有千秋，为g t a f 的数据获取系统的设计提供 了非常有益的借鉴作用。 2 1 探测器模拟信号数据获取方法 k a r l s r u h e4 xb a f 2 探测器是世界上第一台同类装置，它由4 2 个氟化钡探测器 组成。k a r l s r u h e4 冗b a f 2 探测器系统采用的是传统的电子学测量方法。 当测量时使用的探头比较少、任务比较单一的时候，传统电子学具有便捷、 稳定等很多优势。但随着探头的增多，测量任务的增加，使用传统电子学的方法 会非常复杂。 b a e 探测器需要进行中子飞行时间和( n ，7 ) 反应级联丫加和能量的测量。 4 2 个探测器单元各引出两个信号，一路用于飞行时间谱的测量，一路用于y 能 量的测量。如图2 1 所示，是使用传统方法信号获取和处理的电子学线路。 从每个探测器单元引出一个快信号和一个慢信号，快信号用于时问测量，慢 信号用于能量测量。慢信号应该具有不少于5 0 0 n s 的时间常数( 由慢信号的衰光 时间确定) ，由于信号的传输距离比较长，需要经过电缆驱动器放大驱动，为了 减小分压器的热负荷效应对放大器工作的影响，放大器和分压器之间要用1 0 c m 长的电缆将它们隔开。快信号并不能够完全从慢信号中剥离掉，快信号在慢信号 中的存在会导致慢信号的噪声水平增加，从而使探测器的能量分辨率下降。快、 慢信号分别经5 0 m 长的电缆与电子学仪器相联。 在4 2 路快信号电路上，分别使用不同的延迟器，用于补偿由于电缆的长度 不尽相等和电子学传导时间不尽相同导致的信号到达测量端的时问不一致，从而 构造一个一致的时间信号，以利于飞行时间的测量。因为电缆比较长，快信号通 8 兰州大学研究生学位论文 过电缆后幅度衰减会比慢信号衰减的多。衰减器用来改变快信号脉冲幅度，以满 探涮爨摹元识巍时翘辖号加翔毙繁穆弩 图2 一l 传统电子学电路示意图 足后面测量单元对于输入信号幅度要求；并用来调节信号快成分的幅值，使所有 4 2 个探测器单元的快成分有相同的大小；通过这个衰减器，快成分幅度随时间 9 兰州大学研究生学位论文 的任何变动也将得到补偿。每一路快信号经过扇出单元后分成三路信号，分别用 作不同分支的输入。 1 ) 第一分支的信号经过2 m 长的延迟线截断，慢成分被去掉，而只保留1 0 n s 时间范围内的快信号。然后将所有4 2 路信号经过一个多路器，获得一个快成分 的加和能量信号，这个加和能谱对i m e v 丫射线能量分辨约为2 0 0 , 4 。只有当这个 快的加和能量信号超过某一个阈值时，相关的事件才被认为是由中子俘获引起 的，才会进行下一步的处理。用这种方法，由低能1 ，射线、伍粒子引起的本底以 及由镭杂质的b 衰变引起的一部分本底被去掉。原则上，这个阙值应该尽可能 低，因为俘获事件的脉冲幅度分布可以低到2 3 m e v 的范围，实际的测量过程 中，这个阂可能会调高些。 2 ) 另一路输出通过一个前沿甄别器( l e d ) 的桥式输入后到一个恒比定时 甄别器( c f d ) ，它将产生t o f 测量的逻辑时间信号。另外，与主触发信号符 合，用来打开慢信号分支的能量测量的线性门。为了避免慢成分对线性门构成重 复触发，可以选择3 雌的死时间。因为4 2 个探测器模块的计数率总和比较低。 可以通过c a m a c ( c o m p u t e ra u t o m a t e dm e a s u r e m e n ta n dc o n 仃o o 命令阻止输 出，这种性质对调节4 探测器是很重要的。所有探测器的逻辑时间信号经过4 2 路的或门当作起始信号输给时幅转换器( t a c ) ，这个起始信号经过或门后形成的 信号基本上不受多探测器单元的影响。t a c 的停止信号来自加速器的拾取信号。 3 ) 快信号的第三个分支，产生一个4 2 位的数字化信号用来识别那些被触 发的探测器模块。4 2 路脉冲前沿甄别器的输出信号送到道识别器，道识别器将 被触发单元的数字化标签信息加入相应的脉冲幅度谱和飞行时间信号，这些数据 一起存储到终端的数据获取计算机中。 慢信号的处理比较直接，通过一个1 6d b 的衰减器衰减之后连接一个线性扇 出，这样可以使得能量达1 2m e v 的y 射线的信号被后继电子学元件接受而不 产生饱和效应。 后面的线性门除了用于选择0 5 到5 归的门宽外，还可以用c a m a c 命令将 输入脉冲幅度改变士2 0 ，也可以将零点改变士1 0m v 。用这种方法，每个探测器 模块的增益和零点可以独立地调节，不用改变高压而导致快信号的脉冲幅度的改 变。 1 0 兰州大学研究生学位论文 4 2 路线性门的输出脉冲通过线性扇入插件相加后得到一个能量分辨率不错 的加和能量信号，这个信号送给一个a d c 就得到我们所要的加和能谱。线性门 的使用保证只有那些在特定的事件中被触发的模块对最终的加和能谱有贡献，使 光电倍增管的噪声对加和能谱的影响降到最低。 传统的电子学具有便捷、稳定等很多优势。但随着探头的增多，测量任务的 增加，使用传统电子学的方法会非常复杂。由于4 冗b a f 2 探测器由4 2 个单独的探 测单元组成，这样就有4 2 路信号产生。如果采用以往的方法，需要有大量的前端 电子学插件如放大器，如c f d ，t a c 等，这不但使得探测器系统过于复杂而且不 可避免有较大的死时间，对原始数据的重构和堆积信号的处理也比较困难。如果 某些探测器或者电子学电路发生故障而没有发现，会造成获取数据的错误，从而 影响实验结果的正确性。大量而复杂的前端电子学电路会带来很多不确定因素， 使数据获取的成本和风险大大提高了。 随着分辨率高、转换速度快的f a d c ( f l a s ha n a l o gt od i g i t a lc o n v e r t e r ) 的 出现，基于f a d c 的数据获取系统己被越来越多的人采用 1 9 2 0 。 2 2 数字化数据获取 如今，在实验室研究、测试和测量以及工业自动化领域中，很多使用配有p c i 、 p x l c o m p a c tp c i 、p c m c i a 、u s b 、i e e e l 3 9 4 、i s a 、并行或串行接口的计算机 采集数据 1 9 。还有许多应用插入式设备采集数据并把数据直接传送到计算机， 在一些应用中也有数据采集硬件和p c 分离的，通过并行或串行接口和p c 相连。 数字化数据采集线路简单、信息全、数据离线分析方便，数字化数据采集方法的 优势随着计算机技术和总线技术的进步表现的愈来愈明显。 l o sa l a m o s 的d a n c e 【2 3 ( d e t e c t o rf o ra d v a n c e dn e u t r o nc a p t u r ee x p e r i m e n t ) 和c e r n 的t a c 2 4 装置( t o t a la b s o r p t i o nc a l o r i m e t e r ) 采用的就是基于f l a s h - a d c 的数字化的数据获取方式。 图2 2 就是d a n c e 装置的数据获取示意图。 如图所示，数字化数据获取系统通过传统的电子学电路对探测器测得的信号 的能量加和还有多重性进行判选，将符合判选标准的事件的t r i g g e r 信号发给 f l a s ha d c ，然后用f l a s ha d c 采集数字化的数据。 兰州大学研究牛学位论文 采用数字化的数据获取方式的优点有： 1 ) 去掉了大量的不必要的前端电子学电路，节省了电子学插件的支出。 2 ) 简要的数据获取结构避免了庞大的电子学系统带来的不确定性，使得获 取的数据更可靠。 3 ) 采用f l a s h a d c 使获取系统的死时问达3 1 1 8 0 0 n s o o n s 以下 2 2 】。 4 ) 原始数据都被记录下来，通过后期处理得到诸如能量信息，飞行时间信 息等物理数据。后期处理的灵活性相对节省了束流时间。 e n a b l em a s t e rg a t e p a i r e d c h a n n e l s ： h i g h l o wg a i n c h a n n e l s 、 t o d i g i t i z e r c r y s t a l s i g n a l s 萋露 舔j 貉蘸 ，_ l ji i 一“ 皤i d 熬一i c 魏) b ；，a ，r ，a m e t e r s ： 磁两e d 1 s ) ：e n d - o f - s p i l l 渊1 6 w _ r e a r r n 一一j s i n g l ec o mp a c tp c i c r a t ef o r1 2c r y s t a l s ： 6a c q i r i sd c 2 6 5 4 - c h a n n e ld i g i t i z e r s 1 4c r a t e sf o rc r y s t a l s o n ea d d i t i o n a ic r a t e f o rm o n i t o r i n gc h a n n e l s c r y s t a l d i s c d i s c s i q n a l s q u a d f o u r f o l d m a j o r i t y m a s t e r g a t e p r o t o n p u l s e t e s t m u l t i p l i c i t d i s c v e t o l o o k i n gt i m e g e n er a t o r 2 - 2d a n c e 装置的数据获取示意图 1 2 e t h e r n e t c a m a c 鬻獯糕蘩鬻鬻髯鬻掰缓 ，。： f ：r獗蒺攀瀛鬻颦 麟黢麟攀鬻 兰州大学研究生学位论文 第三章、g t a f 装置软件设计概要 对于任何一个数据采集系统，不仅必须要考虑清楚前端探测器输出信号的特 性，而且要考虑在我们的试验过程中想要获取的物理信息，最后结合这两者选取 合适的硬件设备和软件设计思想。本章首先基于b a f 2 探测器的输出特性考虑了 f l a s h - a d c 数据采集卡的选择，然后讨论了程序的框架和所采用的软件环境。 3 1f i a s h - a d c 的选择 b a f 2 探测器最突出的优点就在于它的时间特性非常好，b a f 2 晶体发光的快成 分的光衰减时间为0 i n s ，是已知闪烁体里边最快的。因此，探测器输出的信号 也非常快，对于y 信号来说其脉冲前沿宽度在1 0 n s 以内，而且我们在计算中子飞 行时间的时候还要对脉冲前沿作进一步的分析。考虑到这一点，我们的数据采集 卡的采样率应该在g s p s 量级，才能将信号比较精确地记录下来。 f l a s ha d c ，是目前为止转换最快的一种a d c 。8 位的f l a s ha d c 具有高达1 g s p s 以上的采样速率。图3 - 1 显示了f l a s ha d c 的结构： 图3 1f l a s h 剐d c 结构 兰州大学研究生学位论文 对于一个具有n 位的转换器，电路中有2 一1 个比较器。一个具有2 个分压 电阻的分压电路提供参考电压。参考电压对每一个比较器来说就是一个最低有效 位( l s b ) ，而这一参考电压要比紧接着的比较器上的参考电压要高。当比较器 上的模拟输入电压大于所提供的参考电压时，比较器就产生一个“1 ”，否则比较 器的输出就是0 。这样，如果模拟信号的输入是在v 订和v 巧之间，比较器v ，。到 v 。的输出就是“l ”，剩下的比较器输出就是“0 ”。这就是所谓的温度计式编码方 式( t h e r m o m e t e rc o d e ) ，因为它和水银温度计的读数方式非常相似。在确定温 度下水银柱上升到合适的高度，没有水银出现在那一确定温度之上。 比较器被设计成低电压补偿，这样每一个比较器的输入补偿都会小于a d c 的最低有效位( l s b ) 。否则，比较器的补偿就会导致错误，产生的输出码就不 是相应的值。在每一个比较器都有一个锁存器来存储最终结果。 目前除f l a s ha d c 外常用的a d c 有：逐次逼近a d c ( s u c c e s s i v ea p p r o x i m a t i o n r e g i s t e ra d c ) ，积分型a d c ( i n t e g r a t i n ga d c ) 等。逐次逼近a d c 虽然能有很高 到的分辨率( 能达到1 6 位) ，但它的采样速度只能在m s p s ( 每秒进行l m 次采样) 的量级。积分型a d c 也只能达到几百个m s p s 。 图3 - 2 逐次逼近a d c 1 4 兰州大学研究生学位论文 卜一t i 巾一b 叫 i n l 舅j r a t i o n d i 捌咖a 啪 霸m e 掴鸺 t i _ - _ _ _ _ - 一= ：_ - 一 妇磊 图3 3 1 r 分型a d c 如上所说，f l a s ha d c 卡比较适合我们的实验所需。 a c q i r i s 的d c2 7 1 a 数据采集卡就是一种f l a s ha d c 卡，它具有快的采样速率 和高的带宽、大的存储能力、类似示波器的显示特性、小的外形尺寸和功率要求、 易于集成使用等特点。它是目前采集速度最快的p c i 和c o m p a c t p c i p x i 数据采 集产品，为设计和集成高速数据采集系统提供了新的解决方案。 该数据采集卡可使用l a bw i n d o w s c v i ，m i c r o s o f ev i s u a lc - h - ，i a b v i e w ， v i s u a lb a s i c 等任何一种语言编写驱动程序，可在w i n d o w s ，l i n u x 等系统环境 下运行，便于将数据采集卡的驱动程序集成到整个数据获取软件中回来。图3 4 是a c q i r i s 系列数据采集卡的工作流程图。 翻扣 知税 馥 _ 峨 穆 一 点嗡聪i ： 甜s - 上一： 扎0 图3 - 4a c q i r i s 数据采集卡工作原理 1 5 兰州大学研究生学位论文 d c 2 7 1 a 合适的采样率和优秀的可编程开发能力使得我们决定采用它作为 本装置的f l a s ha d c 数据采集卡。 表3 1d c 2 7 1 af l a s ha d c 性能指标 因为我们有4 0 路探测器和一路加速器脉冲信号，需要用l l 块卡。所以我们采 用c c l 2 1 机箱来装d c 2 7 l a 。c c l 2 1 有2 0 个f a d c 卡插槽，足以放下这1l 块卡。 3 2g t a f 探测系统软件方案 3 2 1 设计思想 4 ，t b a f z 探测器设计用于( n ，丫) 反应截面测量，整个探测器由4 2 个探测单 元组成一个内径为2 0 c m 的球壳。样品放在球心处， ( n ，丫) 反应在样品中心处 发生，向各个方向发射丫射线，每个探测单元所探测到的信号通过光电倍增管的 阳极输出。探测器的最主要特点就是： 1 6 兰州大学研究生学位论文 1 ) 它是一个4 兀的球壳，对丫射线有几乎1 0 0 的效率，可以测量反应的总能 量； 2 ) y 射线和m 子在b a f z 晶体中的荧光随时间的变化情况很不一样，可以 据此进行粒子甄别； 3 ) 该探测器有4 0 个探测器单元，可以据此进行丫多重性的测量。 探测装置要完成的主要任务是： i ) 对( n ，丫) 反应放出的丫射线进行测量； 2 ) 通过信号中的快成分测量中子的飞行时间谱： 3 ) 通过信号的慢成分获得俘获反应的级联射线的加和能量信息： 4 ) 记录探测器单元和信号关联信息获得级联丫的多重性； 5 ) 通过波形形状分析去掉镭衰变时放出的a 粒子。 在我们的数字化数据记录中包含了全波形数据、信号相对应的探测器编号、 信号的类型( a 还是丫) 、飞行时间等比较详细的信息等。数字化全波形数据记录 和处理的优势就是在事件重建的时候具有最多的信息，并且容易随实验条件的变 化做出调整。比如说脉冲前沿的确定对于能谱和飞行时间谱的计算有很大的影 响，我们可以用不同的计算方法对同一原始数据作分析，从中选择最好的结果。 但是，全波形数字化数据获取也遇到了严峻的挑战，那就是：单个物理事件 的数据量远远超过了常规方法。例如，d a n c 实验室( n ，d 截面测量探测器系统 一天的数据量达到l t ，通常一个实验需要做两周的话，一年做几次实验，经济 上没有可能承担这么庞大数据量的储存。 数字化数据获取还必须解决的问题就是，在反应截面测量时会受到一些因素 的干扰。包括：中子和样品中的杂质的核反应、散射中子被b a f z 俘获的反应、以 及晶体中固有的放射性核素的反应。数据获取和处理系统要通过数字的粒子甄别 方法排除这些干扰，获得感兴趣核素的中子反应截面。 3 2 2g t a f 探测系统软件方案 本方案包括2 个系统，4 i 路探测系统和2 路中子探测系统。 整个系统共用一台文件服务器和一台分析服务器。 系统l ：有一台同步采集服务器和3 台莲缩采集服务器，用来采集和压缩来 自b a f 2 探测器的数据。 1 7 ! j 州大学研究生学位论文 系统2 ：一台同步采集服务器，用来采集中子探测器的数据。 采集服务器从f l a s h a d c 处读出数据，发送到压缩服务器，压缩服务器将数 据压缩处理后发送到文件服务器。文件服务器获得数据，将事件重组后储存到磁 盘阵列缓存并备份到磁带库；分析服务器从文件服务器获得数据，进行分析绘图， 并可以生成r o o t 格式的文件以备分析。服务器之间通过千兆以太网连接。文件 服务器和磁带库，磁盘阵列组成s a n ( s t o r a g ea r e an e t w o r k ) 艮p 存储区域网络。磁 盘阵列做到服务器上，用于暂存数据，磁带库用于数据长期备份。数据分析服务 器在采集数据时可以在线监视数据获取的正常与否，并且可以自动调节各个探测 器的高压，也可以作数据的离线分析。图3 - 5 是数据获取系统的硬件结构图。 图3 - 5 数据获取系统的硬件结构图。 软件环境和开发工具： 1 8 兰州大学研究生学位论文 ( 1 ) 所有服务器均运行：c e n to s4 4 操作系统。 ( 2 ) 网络开发和图形分析：选择c 什开发语言；图形界面类库：选择q t 3 3 图形用户界面库，图形分析使