面向 PGNAA 应用的 高计数率数据采集系统

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1 面向 PGNAA 应用的 高计数率数据采集系统
第十七届核电子学与核探测技术学术年会 面向 PGNAA 应用的 高计数率数据采集系统 核探测与核电子学国家重点实验室 中国科学技术大学近代物理系 报告人：刘宇哲

2 内容摘要 背景简介 数据采集系统概述 数据采集系统结构 数据采集和处理方案 系统平台及采集卡展示 总结与展望
第十七届核电子学与核探测技术学术年会 内容摘要 背景简介 数据采集系统概述 数据采集系统结构 数据采集和处理方案 信号成型要求、数据采集、误差修正方案 系统平台及采集卡展示 数据采集卡、PXI工业机箱 总结与展望 中国科学技术大学

3 背景简介 第十七届核电子学与核探测技术学术年会
大块物料成分实时在线检测系统在工业生产过程中具有极其重要的意义， 国外的一些机构在上世纪七十年代相继开展了大块物料成分分析技术的研究。 主要分析技术有红外、X荧光、中子活化分析（NAA）以及瞬发伽玛中子活化 分析（PGNAA）技术。 几种在线分析技术的对比 项目 红外技术 X荧光分析技术 ＮＡＡ技术 PGNAA技术 多元素同时测量 可以 原子序数大于12 几乎全部元素 粒度的要求 有 小于6mm 无 周围环境的影响 实时在线 不可以 体测量 表面 近表面 精确度 较差 极高 好 定期校正 需要 不需要 仪器周围放射性 安全范围内 2013年，工信部组织实施基于瞬发γ射线中子活化分析（简称PGNAA）技术的工业物料成分实时在线检测系统的研制方案。 中国科学技术大学

4 第十七届核电子学与核探测技术学术年会 数据采集系统概述 面向PGNAA物理目标的探测器系统的研制是国家重大科学仪器设 备开发专项项目：基于瞬发γ射线中子活化分析技术的工业物 料成分实时在线检测系统的子项目。 本文所介绍的数据采集系统是针对此探测器系统设计的的读出 电子学系统。 实时在线检测 单次测量时间120秒 平均计数率达到500k/s 250MHz的模拟信号采样 多道非线性修正技术 中国科学技术大学

5 数据采集系统结构 前端板：模拟信号成形 采集板：模拟信号采样、寻峰、多道能谱累积、总线数据传输、高压控制等
第十七届核电子学与核探测技术学术年会 数据采集系统结构 前端板：模拟信号成形 采集板：模拟信号采样、寻峰、多道能谱累积、总线数据传输、高压控制等 中国科学技术大学

6 数据采集和处理方案 信号成型： 𝑃 𝑛,∆𝑇 = ( 𝑛 ∆𝑇) 𝑛 𝑛! 𝑒 − 𝑛 ∆𝑇 𝑃 0,∆𝑇 = 𝑒 − 𝑛 ∆𝑇
在 第十七届核电子学与核探测技术学术年会 数据采集和处理方案 信号成型： 由于中子诱发γ在时间上具有随机性，其信号出现的概率服从泊松分布， 在∆𝑇时间内出现n个γ的概率为 ： 𝑃 𝑛,∆𝑇 = ( 𝑛 ∆𝑇) 𝑛 𝑛! 𝑒 − 𝑛 ∆𝑇 在∆𝑇时间内不产生峰堆积的概率为： 𝑃 0,∆𝑇 = 𝑒 − 𝑛 ∆𝑇 要达到500kc/s以上的平均计数率，在保证计数损失不大于10%的前提 下探测器的最高计数率要达到5Mc/s以上。为了满足计数率的要求，同时又 尽量减小堆积效应，脉冲信号的成形底宽要小于200ns，并且电子学系统在 信号处理过程中不增加额外的死时间。 中国科学技术大学

7 数据采集和处理方案 数据采集过程： 250MHz采样率的高速ADC对成形信号采样 硬件逻辑实现快速寻峰 给出放电控制信号，前端基线恢复
第十七届核电子学与核探测技术学术年会 数据采集和处理方案 数据采集过程： 250MHz采样率的高速ADC对成形信号采样 硬件逻辑实现快速寻峰 给出放电控制信号，前端基线恢复 能谱快速累积 多道数据经缓冲单元送到PXI总线供上位 机实时显示 软件数据库完成成分分析 中国科学技术大学

8 第十七届核电子学与核探测技术学术年会 数据采集和处理方案 硬件逻辑： 中国科学技术大学

9 𝐹 𝑢 ∗𝑁= 𝑖=1 𝑘 𝐷𝑁𝐿 𝑘 + 𝑣 𝑘 𝑖=1 𝑘 𝐷𝑁𝐿 𝑘 + 𝑣 𝑘 +𝑄 𝐶(𝑣)𝑑𝑣
第十七届核电子学与核探测技术学术年会 数据采集和处理方案 误差修正方案： 传统的多道修正做法是用高精度的滑移脉冲发生器(Sliding Pulse Generator)，对多道进行全幅度的累积，从而得到多道系统的修正函数： 𝐹 𝑢 = 1 𝑁 𝑖=1 𝑘 𝐷𝑁𝐿 𝑘 + 𝑣 𝑘 𝑖=1 𝑘 𝐷𝑁𝐿 𝑘 + 𝑣 𝑘 +𝑄 𝐶(𝑣)𝑑𝑣 其中，𝐷𝑁𝐿 𝑘 = 𝐶 𝑘 − 𝑁 𝑀 𝑁 𝑀 , 𝑘=1…𝑀 F(u)是模拟电压的概率密度函数，N为全计数，C(v)是每个通道的模拟 电压，INL[k]是k通道的积分非线性，vk是k通道的实际转换电平，Q是转换代 码的bin宽。由以上公式可知，修正后的通道k的计数是： 𝐹 𝑢 ∗𝑁= 𝑖=1 𝑘 𝐷𝑁𝐿 𝑘 + 𝑣 𝑘 𝑖=1 𝑘 𝐷𝑁𝐿 𝑘 + 𝑣 𝑘 +𝑄 𝐶(𝑣)𝑑𝑣 对于采用14位高速ADC的多道测量系统，修正后系统的非线性指标将可 能会提高约一个量级。参考： Sang Z, Li F, Yao Y, et al. A Non-linearity Correction Method for Fast Digital Multi- Channel Analyzers [J]. Physics Procedia, 2012, 37: 中国科学技术大学

10 第十七届核电子学与核探测技术学术年会 系统平台及采集卡展示 中国科学技术大学

11 第十七届核电子学与核探测技术学术年会 总结与展望 面向PGNAA应用的读出电子学系统的设计，采用当前先进的电子学技术，研究满足PGNAA高计数率能谱测量需求的全新测量方法，通过不断测试改进设计。 本系统采用许多特殊的处理方法来解决高计数率带来的关键问题，如信号堆积、死时间、数据读出与保存、在线快速分析等，以满足PGNAA测量达到500kc/s以上计数率的要求。 中国科学技术大学

12 第十七届核电子学与核探测技术学术年会 感谢支持！ 中国科学技术大学