核仪器数字化研究中的 问题和展望 四川大学 张软玉 2011-07 成都 2019/5/3

提要 核仪器已步入数字化时代 数字化核仪器的发展及现状 亟待解决的几个问题 我们开展的工作 展望 2019/5/3

1.核仪器已步入数字化时代 核仪器已步入数字化时代 传统核仪器结构 2019/5/3

数字化核仪器 核仪器已步入数字化时代 数字核信号处理系统 2019/5/3

结构功能对比 核仪器已步入数字化时代 数字核信号处理系统 2019/5/3

2. 数字化核仪器发展及现状 证明了核仪器数字化的可行性 建立了较完整的模拟核信号处理理论和方法 数字核仪器进入快速发展阶段 １９７４年左右 飞利浦实验室.KOEMAN等人 起始 数字化核仪器发展及现状 证明了核仪器数字化的可行性 首先提出了数字核信号处理的思想 上世纪六十～八十年代 缓慢 建立了较完整的模拟核信号处理理论和方法 模拟式核测量系统发展迅速 二十世纪八十年代末起 兴起 数字核仪器进入快速发展阶段 数字化ＩＣ器件和计算机技术飞跃前进激活了数字核测量领域 商品化 近几年 核仪器公司致力于部件及小系统数字集成 数字化核仪器占据了核仪器市场一半以上份额 指出了数字核仪器下一步研究方向： 核测量系统全局数字化的实现和完善 2001年 突破 数字化核测量系统研究思路发生了革命性突破 2019/5/3

起始阶段 成果未能引起广泛关注！ 数字化核仪器发展及现状 首先提出了在核能谱测量中采用数字滤波器进行核信号处理的思想。 设计了横向数字滤波器，将核信号成形为梯形脉冲 建立了一套基于数字化横向滤波器的X射线谱测量系统。 采用3片2.5MHz，5bit，应答式ADC。导致系统结构复杂，死时间长。 成果未能引起广泛关注！ 2019/5/3

…… 缓慢发展阶段 对新型核仪器的需求越来越强烈！ 模拟核信号处理理论和方法也在这段时期建立起来。 数字化核仪器发展及现状 核测量系统噪声理论 最优化滤波器理论 …… 核信号堆积 弹道亏损等理论 随着模拟核仪器理论研究的深入和完善，能完成各种模拟处理的插件和可实现的核测量内容越来越丰富，同时系统越来越庞大，组建调测和维护繁杂。 对新型核仪器的需求越来越强烈！ 2019/5/3

体现出数字核信号处理研究的超前性和多样性！多数算法精致、但耗时，实用性不强 快速发展阶段 ——确立了两大研究方向 数字化核仪器发展及现状 1）数字化核信号处理原理和方法的研究 意大利Politecnico实验室 多延迟线成形技术的数字化实现 数字化基线恢复算法 零面积滤波器性能研究 常用优化成形算法对比的研究 …… 体现出数字核信号处理研究的超前性和多样性！多数算法精致、但耗时，实用性不强 2）系统的组成原理和方法的研究 1994年美国Valentin.T.Jordanov 等人 + ADC（12bit，20MHz） FIFO（1Mbytes） 2019/5/3

这是目前产品化的数字谱仪的雏形 数字化核仪器发展及现状 1995年法国Michel.Bordessoule等人 数字化核仪器发展及现状 是一套较完整的数字化核能谱测量系统，在该系统中出现了前端条件线路、数据缓存及总线等组成系统所必须的功能结构。 这是目前产品化的数字谱仪的雏形 2019/5/3

商品化阶段 Pixie-500 数字化核仪器发展及现状 4通道500 MHZ数字谱仪 2019/5/3

数字化核仪器发展及现状 Pixie-16 16通道100MHZ数字谱仪 2019/5/3

数字化核仪器发展及现状 2019/5/3

数字化核仪器发展及现状 IPRON-N InSpector™ 1000 的智能中子探头 智能盖革弥勒探测器– GP110i 与GP110i 集成的是一个微处理器/内存和高压PCB，提供所有控制电压和数据处理能力、而不需要外部设备 2019/5/3

突破 2001年Argonne国家实验室联合１２家科研机构，组成了“核结构物理中的数字电子学”工作组，拟建立一套40通道数字核测量系统 数字化核仪器发展及现状 100MHz，12bit 系统中使用两种不同性能的ADC: 1GHz，8bit。 设计目标： 基于两块板卡组建系统—— 能够满足低能核物理的绝大多数应用 要适应不同探测器:γ-Ray示踪探测器半导体探测器、闪烁探测器、快时间探测器(快塑料闪烁体、BaF2)、电离室等 要实现多参数测量：能量、时间、粒子鉴别、一维位置、三维定位和粒子径迹等 开创了大型核测量系统数字化的先河 2019/5/3

使高能物理、重粒子物理、核物理中“核—核”碰撞 瞬间爆发式产生的核信息以数字化模式提取、传输、 存储和分析成为可能。 全局数字化核测量系统的实现和完善 数字化核仪器发展及现状 使高能物理、重粒子物理、核物理中“核—核”碰撞 瞬间爆发式产生的核信息以数字化模式提取、传输、 存储和分析成为可能。 使大型核测量系统结构简化（瘦身）、组建灵活方便、 可靠 为多种核参数的同时测量和提取提供了可能 为核技术应用领域开辟更广阔的空间。促进核医学、 工业测控等领域的进步和发展。 为基于互联网、物联网的环境监测系统的建立创造了 条件。 2019/5/3

数字化核仪器发展及现状 MOVERS™ Mobile Vehiclebased Emergency Radiation Monitoring Systems 2019/5/3

ULTRARADIAC的GPS-COM： 大型运动场活动监控 数字化核仪器发展及现状 2019/5/3

3. 亟待解决的几个问题 为很好地实现核测量系统全局数字化，必须对以下问题进行认真研究 亟待解决的几个问题 1）核信号波形数字化新原理和方法的研究。 2）大数据量数字化核信号的压缩、传输、存储和处理 3）各种数字核信号处理新理论和新方法的探索 4）新数字核仪器研发平台的研究和开发 2019/5/3

1）核信号波形数字化理论、方法的研究。 亟待解决的几个问题 最优化数采理论研究和方案制定 数字化噪声的研究和处理 完整的数字化核信息获取的研究 2019/5/3

2）大量数据的压缩、传输、存储和处理 亟待解决的几个问题 数字核波形特征参数的定义和提取 核信号波形数据压缩理论和方法 数据结构、标准、规范的制定和完善。 2019/5/3

3）数字核信号处理新理论和新方法的探索 亟待解决的几个问题 怎样实现多参数获取和分析 对众多算法的评价和选择标准的研究 算法实用性和实现方法的研究 2019/5/3

4）数字核仪器研发平台的研究和开发 亟待解决的几个问题 对探测器输出核信号实现精确数学描述 实现核信号的数值仿真、计算机模拟 数字核信号发生器的研究和实现 2019/5/3

4. 本室开展的工作 本室开展的工作 已开展以下方面工作： 波形数字化理论和实现的研究 数字核信号处理理论和算法研究 本实验室以数字核信号获取和处理、数字核仪器研究为主要方向，经过几年的努力和积累，对数字核仪器各个环节均有所研究。 已开展以下方面工作： 波形数字化理论和实现的研究 数字核信号处理理论和算法研究 核信号数值仿真与数字核信号发生器的研究 2010年获国家自然科学基金面上项目资助—— 基于图像识别的数字核信号获取和高精度重建的研究 2019/5/3

4.1波形数字化研究 本室开展的工作 1） 提出对Butterworth低通滤波器的改进方法，使之适用于核信号的滤波 2）研制了多适应参数可调前端控制器 3）探索了用不同方法实现核信号的波形数字化 2019/5/3

本室开展的工作 Lecroy WaveRunner 104Xi-A示波器获取的CdZnTe探测器输出241Am的γ射线数字波形 采样率10GHz PCI-9820获取的Si（PIN）输出的55FeX射线数字波形 采样率60MHz 2019/5/3

在采样精度不变的前提下，数据量减为原来的1/700 对同一信号实现上升沿和下降沿变频采样 本室开展的工作 上升沿采样率60MHz，下降沿采样率15MHz 在采样精度不变的前提下，数据量减为原来的1/700 2019/5/3

4.2 数字核信号处理理论和算法的研究 数字化核能谱获取系统的研究 本室开展的工作 1）.分析待处理数字信号中叠加的噪声、干扰和引起的畸变及原因，并定量描述它们。 2）确定处理各种噪声和畸变的方案和方法。 3）根据数字信号处理理论中最优滤波原理构建了参数可调的匹配滤波器和梯形滤波器。 4）组成最佳系统的原理和方法的研究 2019/5/3

本室开展的工作 2019/5/3

模拟式谱仪在计数率为3400cps时获取的55Fe X射线谱 计数率为3400cps时获取的仿真55Fe源信号的X射线谱 本室开展的工作 模拟式谱仪在计数率为3400cps时获取的55Fe X射线谱 计数率为3400cps时获取的仿真55Fe源信号的X射线谱 2019/5/3

4.3数字化研究平台的建设 本室开展的工作 数字化随机脉冲发生器 2019/5/3

本室开展的工作 2019/5/3

5. 展望 小系统的数字化集成进一步发展与完善。功能更灵活、携带和使用更方便。 展 望 展 望 小系统的数字化集成进一步发展与完善。功能更灵活、携带和使用更方便。 新的核波形数字化与相关数字核信号处理理论与方法的发展与完善。 新一代大型数字化核测量系统的建立、完善和发展。实现多参数在线或离线获取，实现网络化大区域核测量和监控。 2019/5/3

敬请批评指正 谢谢！ 2019/5/3